Мембранные процессы, применяемые для очистки воды

Вода - основа жизни. И очень хочется, чтобы вода в доме была чистой, прозрачной и безопасной. Но, к сожалению, в реальности вода загрязнена множеством соединений, концентрации которых часто превышают нормы. И это характерно как для водопроводной воды, так и для подземных вод из скважин и колодцев.

Снабжение населения качественной питьевой водой в больших городах представляет серьезную научную и практическую задачу. С одной стороны, ужесточаются требования к качеству питьевой воды, подаваемой в системы централизованного водоснабжения. С другой стороны, существующие технологии не всегда могут справляться с поставленной задачей в силу различных причин. Сюда можно отнести колебания качества природной и очищенной воды в силу природных (паводок), экологических или технологических факторов (аварии), а также состоянием водопроводных сетей.

Но воду мы используем не только для питания. Большинство примесей, находящихся в воде, осложняют ее использование в бытовых целях. Железо, растворенное в воде, постепенно оставляет желтый налет на сантехнике. Соли жесткости образуют труднорастворимые отложения и тем самым выводят из строя бытовую технику - посудомоечные и стиральные машины, систему отопления. При использовании жесткой воды моющие средства плохо пенятся, и даже самые изысканные шампуни и гели для тела, не могут радовать в полной мере. Кроме того, при принятии душа вредные примеси, находящиеся в воде, могут проникать в поры кожи и оказывать токсичное действие на организм, не говоря уж о сухости кожи, к которой приводит использование жесткой воды. Да и разве приятно наполнять красивые ванны, джакузи и бассейны желтой мутноватой водой?

Для того чтобы решить все эти проблемы и получить чистую воду, необходима комплексная система водоочистки.

Принцип мембранных процессов, широко применяемых в очистке воды, состоит в пропускании исходной воды^; через полупроницаемую мембрану. Под влиянием приложенного давления молекулы воды и некоторых растворенных веществ (размер которых меньше диаметра пор мембраны) проникают через мембрану, тогда как остальные примеси задерживаются. В результате прохождения через мембрану исходная вода разделяется на два потока: фильтрат (очищенная вода) и концентрат (сконцентрированный раствор примесей). Фильтрат подается потребителю, а концентрат сливается в дренаж.

Все примеси, размер которых превышает размер пор мембраны, механически не могут проникнуть через мембрану. Благодаря такой технологии, даже при значительном ухудшении параметров исходной воды, качество очищенной воды остается стабильно высоким.

Мембрана в отличие от "накопительных" систем очистки воды (активированный уголь, ионообменные смолы и др.) не накапливает примеси внутри себя, что исключает вероятность их попадания в очищенную воду.

Размер задерживаемых частиц определяется структурой мембраны, то есть размером ее пор. Мембранные процессы можно классифицировать по размерам задерживаемых частиц на следующие типы:

• микрофильтрационные (MF),

• ультрафильтрационные (UF),

• нанофильтрационные (NF),

• обратноосмотические (RО).

При переходе от микрофильтрации к обратному осмосу размер пор мембраны уменьшается и, следовательно, уменьшается минимальный размер задерживаемых частиц. При этом, чем меньше размер пор мембраны, тем большее сопротивление она оказывает потоку, и тем большее давление требуется обеспечить для процесса фильтрации.

Микрофильтрационные мембраныс размером пор 0,1 - 1,0 мкм

задерживают мелкие взвеси и коллоидные частицы, определяемые как мутность. Как правило, они используются, когда есть необходимость в грубой очистке воды, или для предварительной подготовки воды перед более глубокой очисткой.

Обратноосмотические мембранысодержат самые узкие поры и потому являются самыми селективными. Они задерживают все бактерии и вирусы, большую часть растворенных солей и органических веществ (в том числе железо и гумусовые соединения, придающие воде цветность, и патогенные вещества), пропуская лишь молекулы воды, небольших органических соединений и легких минеральных солей. В среднем RО мембраны задерживают 97-99 % всех растворенных веществ. Такие мембраны используется во многих отраслях промышленности, где есть необходимость в получении воды высокого качества (розлив воды, производство алкогольных и безалкогольных напитков, пищевая промышленность, фармацевтика, электронная промышленность и т. д.). Обратноосмотические мембраны широко применяются в быту - системы обратного осмоса позволяют получить чистейшую воду, удовлетворяющую СанПиН "Питьевая вода" и европейским стандартам качества для питьевого водопользования, а также всем требованиям для использования в бытовой технике, системе отопления и сантехнике.

Использование двухступенчатого обратного осмоса (вода дважды пропускается через обратноосмотические мембраны) позволяет получить дистиллированную и деминерализованную воду. Такие системы являются экономически выгодной альтернативой дистилляторам-испарителям и используются на многих производствах (гальваника, электроника и т. д.)

Ультрафильтрационные мембраныс размером пор от 0,01 до 0,1 мкм удаляют крупные органические молекулы (молекулярный вес больше 10 000), коллоидные частицы, бактерии и вирусы, не задерживая при этом растворенные соли. Такие мембраны применяются в промышленности и в быту и обеспечивают стабильно высокое качество очистки от вышеперечисленных примесей, не изменяя при этом минеральный состав воды.

Нанофильтрационные мембраныхарактеризуются размером пор от 0,001 до 0,01 мкм. Они задерживают органические соединения с молекулярной массой выше 300 и пропускают 15-90 % солей в зависимости от структуры мембраны.

Все большее внимание в настоящее время уделяется поиску перспективных, новых, более компактных, дешевых, простых в эксплуатации методов очистки воды. К числу таких методов подготовки питьевой воды относятся мембранные методы: ультрафильтрация и нанофильтрация.Различия в методах состоят в уровне очистки воды.1

Ультрафильтрационные мембраны,имеющие размеры пор от 0,002 до 0,1 мкм, могут задерживать высокомолекулярные органические вещества (гуминовые и фульвокислоты), взвешенные и коллоидные вещества (например, коллоиды гидроокиси железа), бактерии и вирусы. Нанофильтрационные (или обратноосмотические) мембраны, имеющие размер пор, соизмеримый с размерами молекул воды, эффективно снижают содержание растворенных в воде органических и неорганических веществ: ионов жесткости, железа, стронция, фторидов, тяжелых металлов, хлорорганических веществ.

Внешне оба процесса имеют сходное аппаратурное оформление: мембранные аппараты рулонного типа с унифицированными размерами, насосные агрегаты, обвязка трубопроводами из полиэтилена или полипропилена, сходные элементы автоматизации. Однако имеются принципиальные различия. Если при эксплуатации нанофильтрационных установок накопившиеся в процессе работы на поверхности мембран осадки задержанных из воды загрязнений удаляются с помощью химических промывок (т. е. с применением реагентов), то при эксплуатации ультрафильтрационных мембран удаление загрязнений с поверхности мембран производится «обратным током», как у фильтров с зернистой загрузкой. Поэтому безреагентная технология ультрафильтрации считается за рубежом технологией будущего.

В мировой практике накоплен опыт разработки и применения различных технологий улучшения качества воды, подаваемой в водопроводную сеть.

Однако в настоящее время все большее предпочтение отдается мембранным методам с большой надеждой на будущее ввиду невысокой стоимости, компактности, простоты обслуживания.

В Париже, в ряде городов США, Швеции, Голландии имеется опыт строительства крупных мембранных установок улучшения качества воды производительностью от 2 000 до 10 000 м³/ч. После «классических» очистных сооружений воду пропускают через мембраны, в результате гарантируется ее чистота от болезнетворных бактерий, вирусов и ряда растворенных хлорорганических соединений. В настоящее время ведутся работы по созданию мембранной станции на московских очистных сооружениях.

Важный аспект проблемы городского водоснабжения - состояние
городских водопроводных сетей, вызывающее дополнительное загрязнение
воды.

В мировой и европейской практике начинает широко использоваться доочистка воды, поступающей из городского водопровода. Применяются мембранные системы и в домашнем «водоснабжении». Это многочисленные системы «у крана», системы подготовки питьевой воды в столовых, ресторанах, больницах и т. д.

Многие объекты имеют повышенные требования к составу водопроводной воды по содержанию жесткости, железа, бактерий, взвешенных частиц. Это медицинские оздоровительные центры, элитные клубы здоровья, элитные жилые дома, офисные здания. Для таких объектов используются автономные системы водоснабжения, гарантирующие постоянно высокое качество воды вне зависимости от паводков и других причин сбоя в работе городских очистных сооружений.

Более того, плохое качество централизованной горячей воды и перебои с ее подачей заставляют создавать в домах и квартирах автономные системы горячего водоснабжения, которые также должны «питаться» очищенной и умягченной водой. В таких системах применение мембранных установок дает несомненный эффект.

Мембраны пропускают преимущественно молекулы воды, задерживая все загрязнения, молекулы которых больше молекул воды. Также мембраны могут быть использованы при любом составе исходной воды. Следовательно, мембраны являются эффективным, универсальным решением проблемы очистки воды. Однако и среди мембран имеются различия, и для разных типов воды предназначены различные мембраны, обеспечивающие максимально точное соответствие качества очищенной воды предъявляемым к нему требованиям.

Вода из Московского водопровода, а также многих других водопроводов: Владимирского, Нижегородского, Тульского, Рязанского и т. д. - получается при очистке речной воды (поверхностной). Такие воды обычно по солевому составу соответствуют требованиям ГОСТ и ВОЗ, но по содержанию органических веществ имеют проблемы «проскоков». Поэтому для очистки воды рекомендуется использовать нанофильтрационные

Использование двухступенчатого обратного осмоса (вода дважды пропускается через обратноосмотические мембраны) позволяет получить дистиллированную и деминерализованную воду. Такие системы являются экономически выгодной альтернативой дистилляторам-испарителям и используются на многих производствах (гальваника, электроника и т. д.)

Мембранные системы получили широкое распространение как промышленном, так и в бытовом использовании благодаря ряду неоспоримых преимуществ:

• Стабильно высокое качество очищенной воды (не зависящее от
возраста мембраны и ухудшения параметров исходной воды);

• Мембрана в отличие от накопительных водоочистных систем
(активированный уголь, ионообменные смолы и др.) не накапливает внутри
себя примеси, что исключает вероятность их попадания в очищенную воду;

• Низкие эксплуатационные затраты;

• Экологическая безопасность - отсутствие химических сбросов и
реагентов;

• Минимальное внимание со стороны пользователя;

• Компактность.

мембраны,которые удаляют органические вещества и лишь частично задерживают растворенные ионы солей, мало изменяя ионный состав.

Выбор типа мембран зависит от требований к качеству очищенной воды и вида загрязнений в водопроводной воде. Однако во всех случаях при подборе мембран для домашней системы очистки воды нужны советы специалистов.

В настоящее время домашние мембранные мини-системы достаточно популярны и их часто можно увидеть в продаже. Традиционно они состоят из мембранного фильтра, напорного бака-накопителя чистой воды, содержащего запас чистой воды на 5-8 л, а также крана чистой воды.

Установка такой мини-станции чистой воды в доме или в офисе приоритетнее, чем покупка бутылированной воды как по качеству, так и по экономическим соображениям. Себестоимость такой воды составляет порядка 1 долл. США за 1 м³, т. е. примерно в 300 раз дешевле бутылированной!

Бутылированная вода - это, прежде всего, хорошо очищенная вода, и, как мы выяснили, очищенная в большинстве случаев с помощью мембран. Именно мембраны обеспечивают очистку от растворенных органических веществ, что позволяет воде еще долго храниться. Наряду с фирмами, обеспечивающими очистку воды перед ее розливом, имеют место случаи подделок, некачественной очистки и даже использования просто воды из-под крана. Ввиду этого использовать свою проверенную систему гораздо надежнее.

Мембранные системы получили широкое распространение как промышленном, так и в бытовом использовании благодаря ряду неоспоримых преимуществ:

• Стабильно высокое качество очищенной воды (не зависящее от возраста мембраны и ухудшения параметров исходной воды);

• Мембрана в отличие от накопительных водоочистных систем (активированный уголь, ионообменные смолы и др.) не накапливает внутри себя примеси, что исключает вероятность их попадания в очищенную воду;

• Низкие эксплуатационные затраты;

• Экологическая безопасность - отсутствие химических сбросов и
реагентов;

• Минимальное внимание со стороны пользователя;

• Компактность.

Единственное, что может случиться это понизится

производительность, о чем потребитель узнает по счетчикам, встроенным в систему. В этом случае мембрану необходимо промыть специальными

реагентами. Такие промывки проводятся регулярно (примерно 4 раза в год)

специалистами сервисной службы. Одновременно производится контроль работы установки.

Современные мембранные системы полностью автоматизированы, оснащены многоступенчатой системой защиты и различными функциональными режимами:

• Электронный контроллер управления обеспечивает простоту и удобство в эксплуатации;

• Режим автоматического ополаскивания мембран фильтратом при
остановке системы позволяет продлить срок службы мембран;

• Защита от "сухого хода" обеспечивает автоматическое отключение и
включение системы в случае отключения воды в доме;

• Контроль входного и рабочего давлений и предохранительный клапан позволяют избежать аварий;

• Стеклопластиковые корпуса для мембранных элементов обеспечивают
надежную работу на высоком давлении.

Несмотря на высокую эффективность мембран, не все специалисты согласны с положительной оценкой их использования. Так, гигиенисты считают, мембраны, а именно обратный осмос, «слишком хорошо» очищают воду, удаляя из нее все соли и необходимые для жизни компоненты: кальций, натрий, фтор и т. д. Действительно, есть мембраны, которые удаляют из воды все соли на 99%, но есть и другие мембраны, удаляющие соли на 50% (в 2 раза), а органические вещества на 90-100%. Именно их и нужно использовать при очистке в частности, московской водопроводной воды. Ведь существуют нормативы качества воды: ГОСТ, ВОЗ, СанПиН, и достаточно сделать анализ воды и сравнить. Сложность заключается еще и в том, что гигиенисты предлагают учитывать в нормативах на состав питьевой воды так называемый «нижний порог» на содержание некоторых компонентов воды, например, жесткость воды (содержание в ней кальция и магния) должна быть выше 7 единиц и ниже 2. А при применении мембран концентрации всех компонентов, в том числе жесткости, обычно снижается. Если, конечно, специально не задаться этой целью и не подбирать соответствующие мембраны.

Вместе с тем существуют жалобы на присутствие в воде жесткости даже при покупке бутылированной воды, используемой, как правило, для приготовления пищи, чая, кофе. Естественное недовольство вызывают образующиеся при кипении воды накипь или белый налет на поверхности воды в чайниках.

Важным аспектом снабжения населения водой является использование артезианских вод.

В зависимости от качества исходной воды для ее очистки может быть выбран метод ультрафильтрации(только для удаления железа) или метод нанофильтрацииобратного осмоса для одновременного снижения жесткости, железа, фторидов, стронция и др. В соответствии с составом исходной воды наиболее оптимальное качество очищенной воды достигается на основании компьютерного оптимизационного расчета с помощью специально созданной компьютерной программы.

Мембранныенанофильтрационные системымалой

производительности (от 20 до 1 000 л/сут.) особенно эффективны при их использовании в квартирах, на дачах, в офисах, пищеблоках предприятий, больниц, баз отдыха и т. д.)

Здесь подбирается наиболее подходящий тип мембраны, а также оптимизируется состав очищенной воды путем подбора величин рабочего давления, выхода фильтрата и т. д. В случае присутствия в исходной воде запаха сероводорода используется специальный фильтр доочистки с окислительной загрузкой, а при повышенной жесткости исходной воды -ингибиторный патрон.

Станции обезжелезивания воды для микрорайонов и отдельных зданий не всегда удовлетворительно работают, поскольку давно требуют реконструкции. Поэтому использование мембранных установок для водоснабжения многоквартирных домов или новых микрорайонов может оказаться очень эффективным и избавить от опасности подачи потребителям некачественной воды.

Особое внимание уделяется в настоящее время более широкому использованию отечественных разработок и снижению себестоимости процесса очистки воды. Разработаны отечественные полимерные мембраны (для нанофильтрации и ультрафильтрации) и аппараты на их основе, не уступающие лучшим мировым образцам как по эффективности очистки воды, так и по эксплуатационным свойствам (стойкость к химическим промывкам, возможность к гидравлическим обратным промывкам и т. д.).

Ультрафильтрационные мембраныпозволяют создать новый безреагентный метод обезжелезивания воды, по эффективности, компактности и стоимости конкурентоспособный с традиционными методами. Однако для эффективного ведения процесса обезжелезивания необходимо умение правильно подбирать режимы обратных промывок -удаления накопленных на мембранах загрязнений.

Современные ультрафильтрационные мембранызадерживают содержащиеся в природной воде органические вещества, образующие цветность, поэтому их применение дает возможность предложить для очистки поверхностных вод безреагентные технологии, исключающие коагулирование, отстаивание, фильтрование. Большие перспективы предлагает также комбинация процессов ультрафильтрации и нанофильтрации, позволяющая управлять ионным составом очищенной питьевой воды.

В современном благоустроенном доме водоочистная установка стала таким же необходимым атрибутом, как, например, бойлер. Беспокойство у домовладельцев вызывает в основном состояние дорогих сантехнических приборов (сантехника, посудомоечные и стиральные машины, бойлеры), которые могут выйти из строя при плохом качестве воды.

Существует два основных вида загрязнений:железо, дающее красноту воды и оставляющее красные подтеки на сантехнических приборах, и жесткость (кальций), оставляющая накипь на нагревательных приборах. В связи с этим наиболее важно выбрать систему, наиболее подходящую для дома.

Критерий выбора любой системы обычно экономический.) Можно с уверенностью сказать, что прогресс в области водоочистных устройств идет не столько в направлении улучшения качества очистки, сколько в направлении снижения стоимости очистки. Следовательно, если допустить, что все установки одинаково эффективны, то появляется необходимость определить, насколько долго продолжается эффективная работа и какие затраты потребуются на то, чтобы «регенерировать» фильтр, т. е. провести эксплуатационные мероприятия для «поддержания» эффективности. Арифметические расчеты таковы:

Контракт на покупку системы воды может составлять от 1 500 до 5 000 долл. США. Стоимость сервисного обслуживания у разных фирм колеблется от 200 до 500 долл. США в год. Один коттедж потребляет в среднем 300 м³ чистой воды в год. Таким образом, при сроке службы установки 5 лет стоимость 1 м³ чистой воды составляет от 1,6 до 4,5 долл. США. Такой расчет следует сделать при выборе установки, попросив фирму-продавца предоставить данные по стоимости контракта на монтаж и пуск установки, стоимости обслуживания и потребляемых реагентов. Кроме того, нет ни одной системы, которая бы не ломалась и не давала бы сбои, поэтому именно качество сервиса определяет качество установки.

Мембранные установки очистки вод от загрязнений универсальны. Они очень эффективны при использовании в частных домах. «Сердцем» таких установок являются сменные мембранные блоки, заменяемые 1-3 раза в год. Мембраны одновременно снижают содержание в воде железа и жесткости, причем универсально, вне зависимости от состава исходной воды. Поэтому на всех объектах Подмосковья используются одинаковые взаимозаменяемые блоки. Такие блочно-модульные системы снабжают питьевой водой сотни объектов: от квартир, офисов и коттеджей до домов отдыха, таунхаусов и целых поселков. Стоимость такой системы (рис. 4) для одного частного дома водопотреблением порядка 1 м³/сут. составляет 1 600-1 800 долл. США, а стоимость ее годового сервисного обслуживания - от 100 до 200 долл. США.

Теперь можно подсчитать себестоимость очистки воды на основе этой технологии, учитывая, что никаких реагентов покупать не надо. Для сравнения: за 4-месячный период эксплуатации стандартный умягчитель потребляет 80-120 кг соли, а стандартный обезжелезиватель - 7-10 кг марганцовки. В зависимости от назначения и объемов потребления чистой воды для снижения стоимости мембранные установки могут быть использованы в виде сплит-систем в различных комплектациях: на весь дом, только для производства питьевой воды, для питьевой воды и стиральной машины и т. д.

Трудно предсказать какая технология доочистки воды для городских водопроводов будет особо выделена из альтернативных, но, несомненно, применение мембранных установок даст высокий экономический эффект получения высококачественной воды.

Заключение

Жизненная необходимость широкомасштабного внедрения мембранных процессов определяется многими факторами и, прежде всего, их прямым влиянием на обеспечение национальной безопасности, решение наиболее острых социально-экономических проблем в перспективах их практического использования.

Высокий авторитет российских ученых-мембранщиков,

общепризнанный мировой уровень фундаментальных и прикладных исследований, высокая степень готовности разработок, близкий срок реализации и непреходящая актуальность являются весомым подтверждением необходимости сосредоточения усилий федеральных органов для принятия мер для интенсификации процессов ее промышленной реализации мембранной технологии.

Без использования мембранной науки и мембранных процессов реализация многих критических технологий потребует больших материальных и временных затрат.

В последние годы начался новый бум в мембранной технологии. Мембранные установки стали все больше и больше использоваться в быту. Это стало возможным, благодаря научным и технологическим достижениям: мембранные аппараты стали дешевле, возросла удельная производительность и снизилось рабочее давление.

Мембранная технология активно развивается. Установки постоянно совершенствуются. Современные системы практически полностью автоматизированы, оснащены системой блокировки в случае перебоев в подаче электроэнергии и защитой от "сухого хода". Мембранная фильтрация получает все большую популярность в бытовом использовании благодаря надежности, компактности, удобству в эксплуатации и, конечно же, стабильно высокому качеству получаемой воды.

Ключевым фактором, определяющим сохранение и поддержание мирового уровня российской мембранной науки и техники является государственная поддержка определенного объема фундаментальных исследований.