Новейшие технологии подготовки воды в централизованном водоснабжении на основе мембранных технологий

А. Г. Первов, доктор техн. наук, профессор,

Ю. В. Павлов, канд. техн. наук, доцент,

Г. Г. Жабин, инженер

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 (аварии) факторов, а также состоянием водопроводных сетей.

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.

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.

Хотя вода московского водопровода вполне пригодна для питья, в силу перечисленных выше обстоятельств в воду могут попадать хлорорганические соединения, бактерии и вирусы.

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. (рис. 1).

Рисунок 1. Мини-станции подготовки высококачественной питьевой воды в квартире, офисе, на даче

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 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.

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. Эта проблема особенно актуальна для городского строительства в Московской области, где в ряде городов и поселков, помимо жесткости и железа, подземные воды содержат в повышенных концентрациях фториды, стронций, даже радионуклиды.

В зависимости от качества исходной воды для ее очистки может быть выбран метод ультрафильтрации (только для удаления железа) или метод нанофильтрации обратного 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.

Мембранные нанофильтрационные системы малой 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.

Рисунок 2. (подробнее) Технологическая схема мини-станции для подготовки питьевой воды малой производительности

Общий вид и технологическая схема установок представлены на рис. 1, 2. В отличие от систем, использующихся для улучшения качества московской водопроводной воды, при очистке артезианской воды 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 мембраны позволяют 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 мембраны, имеющие размер пор на уровне 0,05–0,20 мкм, задерживают 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.

Рисунок 3. Сменные блоки на основе мембранных элементов в корпусах из стеклопластика, полиэтилена и полипропилена

Мембранные установки очистки вод от загрязнений универсальны. Они очень эффективны при использовании в частных домах. «Сердцем» таких установок являются сменные мембранные блоки (рис. 3), 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.

Рисунок 4. (подробнее) Технологическая схема мембранной установки блочно-модульного типа для водоснабжения малых объектов питьевой водой

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.

Литература

1. Первов А. Г., Мотовилова Н. Б., Андрианов А. П. Ультрафильтрация – технология будущего // ВСТ. 2001. № 9. С. 9–12.

2. Pervov A. G., Makarov R. I. RO and NF membrane systems for drinking water production and their maintenance techniques // Desalination. 2000. № 132. Р. 315–321.

3. Макаров Р. И., Первов А. Г. Разработка компьютерной программы для моделирования состава питьевой воды, полученной с помощью нанофильтрационных мембран ОПМК (г. Владимир). Всероссийская научная конференция «Мембраны-2001». Тезисы докладов. М., 2001. С. 147.

4. Первов А. Г., Макаров Р. И., Андрианов А. П., Ефремов Р. М. Мембраны – новые перспективы освоения рынка питьевой воды // ВСТ. 2002. № 10. С. 26–29.

5. Первов А. Г., Макаров Р. И. Технология селективного извлечения из воды различных компонентов с целью улучшения ее макрокомпонентного состава. V Международный конгресс «ЭКВАТЭК-2002». Сборник материалов конгресса. М., 4–7 июня 2002. С. 369.