Чистая вода – залог здоровья каждого человека. Качество этого ценного ресурса в сетях центрального водоснабжения и в индивидуальных источниках не всегда соответствует параметрам, обеспечивающим безопасное ее потребление. Современные методы очистки позволяют довести физико-химические показатели воды до требуемого уровня.

Чистая вода — залог здоровья и долголетия

Вода, поставляемая предприятиями водоканала, проходит очистку в определенной последовательности и ее качество доводится до нормативных значений. Общий принцип очистки не устраняет полностью всех негативных факторов, отрицательно влияющих на организм человека. Свою негативную лепту в итоговое качество воды вносят и обширные сети трубопроводов, находящиеся в плохом состоянии, пополняя воду массой механических примесей – ржавчины, грязи и т.п.

Наличие собственного источника водоснабжения тоже не всегда гарантирует идеальное качество воды. Для потребления воды в пищевых целях в этом случае всегда требуется проведение комплексного анализа.

Конфигурация комплекса водоочистки всегда должна формироваться на базе анализов состава воды, с привлечением квалифицированных специалистов. Самостоятельная сборка системы очистки не всегда может дать положительный эффект в улучшении качества воды.

В зависимости от качества воды системы очистки могут состоять из простейших элементов – фильтров тонкой механической очистки, но чаще всего различные методы физической и химической очистки комбинируются. Далее мы рассмотрим наиболее популярные способы и методы очистки питьевой воды.

Фильтры тонкой механической очистки

Фильтр механической очистки на вводе водопровода

Фильтры механической очистки производятся обычно в виде колбы, внутри которой расположен фильтрующий картридж. Фильтрующие элементы выполняются из различных материалов, обычно из полимерного волокна (полипропилена) или керамики.

Картридж из полипропилена и таблица характеристик
Картридж фильтра тонкой очистки после выработки ресурса

Картридж является расходной частью, имеет определенный ресурс работы и требует замены после его истечения. Фото ясно дает понять — вода в системе централизованного водоснабжения не отличается кристальной чистотой.

Аналогами фильтров механической очистки являются насадки на смеситель.

Водяной фильтр для смесителя

Фильтры механической очистки обладают следующими достоинствами:

1. Простота устройства;
2. Относительная дешевизна;
3. Качественная механическая очистка.

Основным недостатком фильтров простейшей конструкции является отсутствие возможности очистки от органических примесей, вирусов, пестицидов, нитратов. Для удаления из воды инсектицидов, пестицидов, компонентов органического происхождения в комплексе с устройствами механической фильтрации применяют фильтры с активированным углем.

Угольные бытовые фильтры

Очистка питьевой воды от ряда примесей осуществляется сорбционными фильтрами, базовым элементом которых служит активированный уголь. Фильтры (кувшины) являются популярным методом очистки хозяйственно-питьевой воды в бытовых условиях.

Через фильтрующий картридж кувшина пропускается вода и собирается в нижней чаше устройства. Большинство типов картриджей кувшинов используются для очистки питьевой воды от органических компонентов и растворенного хлора. Остатки хлора обычно полностью удаляются после аэрации – просто выветриваются из негерметичного сосуда.

Некоторые виды фильтров могут очищать воду от железа, солей тяжелых металлов, нефтепродуктов и некоторых других примесей, умягчать воду. Этот эффект достигается за счет добавления в материал картриджей ионообменных компонентов.

Картриджи угольных фильтров обладают определенным ресурсом, поэтому по мере увеличения количества прошедшей через фильтр воды они теряют свою первоначальную эффективность. Недостатком фильтров с активированным углем является накопление органических примесей. Они служат плодотворной базой для размножения и развития микроорганизмов и бактерий.

Для нивелирования этого негативного фактора в работе угольных фильтров их часто комбинируют с системами обеззараживания воды.

Ультрафиолетовое излучение и очистка озоном

Лампа ультрафиолетового обеззараживания воды

Ультрафиолетовое излучение обладает отличными бактерицидными свойствами – оно убивает большинство видов бактерий, вирусов, микроорганизмов. При этом свойства воды не меняются. Метод применения ультрафиолетового излучения довольно прост и пользуется большой популярностью.

Озонирование воды – не менее эффективный, но более сложный технически и дорогостоящий процесс. Озон является мощным окислителем и при его попадании в воду большинство микроорганизмов погибает. Качество обеззараживания с помощью озона намного превосходит аналогичные показатели традиционного метода – хлорирования.

Системы озонирования сложны технически, требуют для обслуживания профессиональных навыков. В силу своей высокой стоимости и технической сложности применяются в бытовых условиях довольно редко.

Системы фильтрации обратного осмоса

Осмотические мембранные системы считаются самыми эффективными для очистки питьевой воды. Степень очистки от различных примесей при благоприятных условиях может достигать 97 – 98%. Принцип их работы основан на использовании свойств специальной мембраны, имеющей поры микроскопического размера. Размер пор сопоставим по своим габаритам молекуле воды.

Осмотические фильтры бывают проточного и накопительного типа. Они очищают воду от механических примесей размером от 5 мкм, солей тяжелых металлов, вирусов, микроорганизмов, органических и неорганических химических соединений. Наиболее качественно мембрана фильтра обратного осмоса работает с чистой, предварительно очищенной от механических частиц водой.

Многослойная мембрана обратного осмоса

Кроме того, на мембрану негативно влияет повышенное содержание солей кальция и магния, больше известное под названием жесткости.

В зависимости от содержания исходной воды системы обратного осмоса комбинируются с блоками умягчения и фильтрами тонкой механической очистки.

Недостатками комплексов осмоса являются следующие показатели:

1. Система является благотворной средой для развития микроорганизмов;
2. В процессе очистки наряду с вредными компонентами частично удаляются полезные для человека минеральные элементы;
3. Для работы систем требуется исходное давление не менее 2,5 кгс/см 2 ;
4. При очистке одного литра воды утилизируется от 3 до 7 литров воды с растворенными отфильтрованными компонентами.

Часть недостатков компенсируется применением дополнительных компонентов очистки. Обеззараживание обычно производится ультрафиолетовой лампой. Пополнение очищенной воды минеральными компонентами выполняется блоками минерализации.

Ионообменные системы умягчения воды

Соли кальция и магния, растворенные в воде, негативно влияют на пищеварительную систему человека, могут привести к образованию камней. Кроме того, вода с повышенной жесткостью приводит к образованию накипи в бытовых приборах водонагревательного типа и выходу из строя их нагревательных элементов (ТЭНов).

Ионообменная двухступенчатая система очистки воды

Наиболее эффективным методом умягчения воды считаются комплексы фильтрации на базе ионообменных компонентов — гранулированной смолы. Исходная вода проходит через фильтр, при этом происходит замещение ионов натрия и хлора ионами кальция и магния. После определенного промежутка времени ионообменный материал промывается раствором поваренной соли (хлорид натрия) и происходит удаление накопившихся ионов солей жесткости.

Ионообменные установки чаще всего применяются в промышленных целях. Ресурс смолы имеет свой срок, замена ее производится в среднем 1 раз в 5 – 8 лет. Установки ионообменного типа чаще всего применяются при работе систем и .

Медно-цинковые системы очистки

Принцип работы установок этого типа основан на использовании свойств медно-цинкового сплава, компоненты которого имеют разную полярность. Примеси с соответствующим зарядом притягиваются к полюсам при прохождении воды. В результате окислительно-восстановительных реакций вода очищается от железа, ртути, свинца, уничтожаются микроорганизмы, бактерии и так далее.

Недостатком фильтрации на основе медно-цинкового сплава считается сохранение в воде органических примесей. Этот недостаток исключается при комбинировании медно-цинкового фильтра с блоком угольной фильтрации (адсорбции).

Наиболее популярными для очищения питьевой воды в бытовых условиях являются угольные фильтры и системы обратного осмоса. Система фильтрации обратного осмоса более эффективна, но и установки на ее основе стоят дороже. Качественная очистка воды современными методами зачастую является затратным, но необходимым мероприятием. Употребление воды с нормальными параметрами чистоты и качественным химическим составом являются залогом здоровья для каждого человека.

Вода – это вещество, которое мы употребляем ежедневно, и для здоровья человека очень важно пить качественную воду . В разных странах имеются разные стандарты воды «из-под крана», по которым определяются прозрачность и содержание в ней различных веществ. Россия не относится к странам с самыми строгими нормами. Даже если в воде имеются тяжелые металлы, очень маловероятно, что организации, осуществляющие водоснабжение, будут это широко афишировать. Хотя патогенные микроорганизмы обычно в воде «из-под крана» не встречаются, различных химических веществ в ней содержатся предостаточно. Если самостоятельно не позаботиться о чистоте воды, то можно заработать в связи с этим набор самых неприятных заболеваний. Поэтому мы предлагаем ознакомиться с тем, какие существуют современные методы очистки воды .

Сейчас можно встретить много неоднозначной информации о методах и системах, используемых для очистки воды. В этой статье дается обзор современных методов очистки воды для домашнего и промышленного использования , а также проясняются некоторые вопросы относительно эффективности этих методов.

1. Угольные фильтры

Достоинства угольных фильтров:

• Отлично удаляют пестициды и хлор.
• Недороги.

Фильтры бывают всех форм и размеров. Это один из самых старых и самых дешевых способов очистки воды. В большинстве угольных фильтров используется активированный уголь. Вода легко проходит через фильтр с активированным углем, который обладает большой площадью поверхности пор (до 1000 м 2 /г), в которых происходит адсорбция загрязняющих веществ. Активированный уголь используется как в форме твердых блоков, так и в гранулированной форме. Через твердый блок вода проходит дольше, что делает подобные фильтры более эффективными в поглощении загрязнений. Фильтры с активированным углем лучше всего подходят для удаления таких загрязнителей, как инсектициды, гербициды и полихлоринатные бифенилы. Они могут также удалять многие промышленные химикаты и хлор. Но активированный уголь не удаляет большинство неорганических химических веществ, растворенных тяжелых металлов (например, свинец) или биологические загрязнения. Чтобы в некоторой степени справиться с этими недостатками, многие производители используют активированный уголь в сочетании с другими способами очистки, такими как керамические фильтры или ультрафиолетовое излучение, о которых речь пойдет позже. Даже с этими усовершенствованиями, однако, угольные системы фильтрации имеют свои ограничения и недостатки.

Недостатки угольных фильтров:

• Не удаляют бактерии.
• Недолговечны.

Угольные фильтры представляют собой отличную среду для размножения бактерий. Если вода не подвергалась обработке хлором, озоном или другим способам бактерицидной защиты перед фильтраций, то бактерии из воды осядут в фильтре и будут там размножаться, загрязняя проходящую через него воду. По этой причине не рекомендуется использовать угольный фильтр в том случае, когда вода поступает напрямую из природного источника. Некоторые производители утверждают, что проблема решается при помощи добавления серебра. К сожалению, эта технология работает недостаточно эффективно. Вода должна оставаться в контакте с серебром гораздо дольше, чтобы появился существенный эффект. Также со временем угольные фильтры начинают терять свою эффективность. Постепенно фильтр теряет способность задерживать загрязнения и все больше и больше примесей попадает в отфильтрованную воду. При этом вода продолжает протекать через фильтр с легкостью, и узнать насколько эффективно работает фильтр можно только при помощи анализа качества воды, но не у всех дома есть лаборатория. Поэтому фильтр необходимо заменять через определенный промежуток времени или после фильтрации определенного объема воды.

Недостатки керамических фильтров:

• Неэффективны против органических загрязнителей и пестицидов.

Керамические фильтры неэффективны при удалении органических загрязнителей или пестицидов. Так что эти фильтры не рекомендуется использовать для очищения воды в домашних условиях. Дома их стоит использовать в паре с угольным фильтром.

Недостатки озонирования:

• Этот метод не позволяет удалять тяжелые металлы, минералы и пестициды.
• Озон быстро распадается на кислород и теряет свою эффективность.
• Очень дорогой метод.
• Озон является очень ядовитым веществом, поэтому работа системы должна тщательно контролироваться датчиками.

Для получения питьевой воды одного озонирования недостаточно. Оно не удаляет тяжелые металлы, минералы и пестициды. И, в отличие от хлора, который, оставаясь в воде, продолжает выполнять свою функцию, озон имеет очень короткий срок действия. Он распадается почти мгновенно и не имеет остаточного эффекта очистки. Еще один камень преткновения в озонировании воды – это стоимость. Использовать озонирование в домашних условиях получается слишком дорого.

4. Ультрафиолетовые излучение

Достоинства использования УФ-излучения:

• Убивает бактерии и вирусы.

Когда микроорганизмы, такие как бактерии и вирусы, поглощают ультрафиолетовое излучение, то начинают происходить определенные реакции, вызывающие их гибель. Это делает УФ-излучение очень эффективным методом уничтожения патогенных микроорганизмов, таких как кишечная палочка и сальмонелла, без добавления химических веществ, например, хлора. УФ-излучение является одним из немногих способов очистки, позволяющим уничтожать вирусы, что особенно важно в сельской местности, где нет других способов получения качественной воды.

Недостатки УФ-излучения:

• Неэффективно против всех организмов.
• Неспособно удалять тяжелые металлы, пестициды, другие физические загрязнители.

5. Ионообменные фильтры для воды

Достоинства ионообменных фильтров:

• Продлевают работу водонагревателей, стиральных машин.

Недостатки ионообменных фильтров:

• Не очищают воду и не делают ее безопасной для человека.

Ионообменные фильтры действуют как умягчители воды и не оказывают никакого влияния на микроорганизмы. Смягчение жесткой воды хорошо для стиральной машины и водонагревателя, а также при купании. Жесткая вода больше стягивает кожу, и мыло в ней хуже мылится. Однако мягкая вода не является более полезной, чем жесткая. Умягчители не очищают воду.

6. Медно-цинковые системы очистки воды

Достоинства медно-цинковых систем очистки:

• Эффективно удаляют хлор и тяжелые металлы.

Подобные фильтры для воды продаются под названием KDF. В них используется запатентованный медно-цинковый сплав, который содержится в фильтре в виде гранул. Молекулы меди и цинка действуют как различные полюса в батарее. При прохождении загрязненной воды через гранулы одна часть примесей направляется в сторону цинка, другая часть примесей с противоположным зарядом направляется в сторону меди. При этом происходят окислительно-восстановительные реакции, при которых обезвреживаются потенциально опасные химические вещества. В результате обработки хлорированной воды образуется хлористый цинк. Также подобные фильтры снижают содержание ртути, мышьяка, железа и свинца. При прохождении через фильтр в воде уничтожаются бактерии и другие организмы.

Недостатки медно-цинковых системы очистки:

• Неэффективны против пестицидов и органических загрязнителей.

Медно-цинковые системы очистки не позволяют удалять пестициды и другие органические загрязнители. Тем не менее, KDF-системы обычно включают блок угольных фильтров, чтобы устранить эти недостатки.

7. Системы обратного осмоса

Достоинства систем обратного осмоса:

• Хорошо очищают воду от металлов, бактерий, вирусов, микроорганизмов, а также органических и неорганических химических веществ.

Первоначально система обратного осмоса использовалась для опреснения морской воды. В процессе очистки вода под давлением проходит через полупроницаемую синтетическую мембрану. При благоприятных условиях данный способ фильтрации позволяет удалять от 90% до 98% тяжелых металлов, вирусов, бактерий и других организмов, органических и неорганических химических веществ.

Недостатки систем обратного осмоса:

• Большое количество воды в виде отходов.
• Синтетическая мембрана деградирует под воздействием хлоридов и физических загрязнителей.
• В системе могут размножаться бактерии.
• Хуже работают с жесткой водой.

Несмотря на свои достоинства системы обратного осмоса обладают существенными недостатками. Для начала, они чрезвычайно ресурсоемки; для получения 1 л чистой воды в канализацию смывается 3-8 л загрязненной воды. Факт, что эта сливаемая вода содержит концентрированные загрязняющие вещества, вынудил некоторые сообщества, страдающие от недостатка воды, полностью запретить подобные системы очистки.

Эти системы для должной работы также требуют минимального давления воды 2,7 атм. Необходимо принимать меры по поддержанию целостности мембраны, которую надо заменять каждые несколько лет.

Мембрана ухудшает свои свойства в присутствии хлора и при очистке мутной воды. Поэтому системы обратного осмоса требуют предварительную очистку воды угольным фильтром.

Системы обратного осмоса также являются хорошей средой для размножения бактерий, что может потребовать установки угольного фильтра между блоком обратного осмоса и резервуаром для хранения воды и еще одного фильтра между накопительным баком и краном, из которого сливается вода. И, наконец, если вода достаточно жесткая, то может потребоваться дополнительная система смягчения воды.

Учитывая перечисленные недостатки, действительно трудно рассматривать эти системы в качестве лучшего способа очистки воды .

8. Дистилляция

Достоинства дистилляции:

• Удаляет широкий спектр загрязняющих веществ, полезна в качестве первого этапа очистки.
• Можно использовать многократно.

При правильном выполнении дистилляции она обеспечивает получение довольно чистой и безопасной воды. Есть критики употребления дистиллированной воды, но многие люди употребляют дистиллированную воду годами, не испытывая при этом никаких проблем со здоровьем. Дистилляция является относительно простым процессом: вода нагревается до кипения и превращается в пар. Кипячение убивает различные бактерии и другие патогены. Полученный при кипячении пар охлаждают и вновь получают воду.

Недостатки дистилляции

• Загрязняющие вещества переносятся в некоторой степени в конденсат.
• Требуется тщательный уход для обеспечения чистоты дистиллятора.
• Медленный процесс.
• Потребляет большое количество водопроводной воды (для охлаждения) и энергии (для нагрева).

Неорганические загрязнители способны мигрировать вдоль тонкой пленки воды, которая образуется на внутренних стенках. Также в воду переходят загрязняющие вещества из стекла или металла, в которых нагревается вода.

Органические соединения с температурой кипения ниже, чем 100°C, автоматически переходят в дистиллят, и даже органические соединения с температурой кипения более 100°C могут раствориться в водяном паре и также перейти в дистиллят. Во время кипения за счет поступающей энергии могут образоваться новые хлорорганические соединения.

Дистилляция является медленным процессом, который требует хранения воды в течение длительного времени. За время хранения возможно повторное загрязнение воды веществами из окружающего воздуха.

Дистилляция требует большого количества энергии и воды и, следовательно, является дорогим процессом в эксплуатации. Кроме того требуется регулярная чистка дистиллятора от загрязнителей, накопленных в процессе.

Данная статья основана на материалах работы доктора Дэвида Вильямса, врача, биохимика, специалиста по естественному лечению.

(Просмотрели18 552 | Посмотрели сегодня 1)

Инновационный фильтр Naked Filter для многоразовой бутылки от Liquidity

С. Громов, к. т. н., А. Пантелеев, д. ф.- м. н., А. Сидоров, к. ф.- м. н.

Переход экономики на рыночные отноше ния характеризуется резким обострением конкуренции. Один из решающих факторов, позволяющих производителям товаров и услуг выживать в конкурентной среде, - снижение себестоимости продукции. В свою очередь, издержки производства (или эксплуатационные расходы) являются основополагающим показателем, определяющим себестоимость.

Затраты на водоподготовку - это неотъемлемая часть эксплуатационных расходов предприятий энергетического и нефтехимического комплексов . Задача сокращения эксплуатационных расходов на водоподготовку усложняется ростом тарифов за водопользование; непрерывным ухудшением качественных показателей воды (например, увеличением солесодержания) в источниках, пригодных для промышленного использования; уже сточением нормативов по количественным и качественным показателям для сбрасываемых сточных вод ; повышением требований к качеству обработанной воды, используемой в технологическом цикле.

Решить задачу сокращения эксплуатационных расходов на водоподготовку позволяет внедрение новых технологий. Говоря о современных подходах к решению задач по водоподготовке, надо, в первую очередь, выделить мембранные технологии водоподготовки: ультра- и нанофильтрацию , обратный осмос , мембранную дегазацию и электродеионизацию воды .

На базе указанных процессов возможна реализация так называемых интегрированных мембранных технологий (ИМТ) , применение которых позволяет снизить эксплуатационные затраты на водоподготовку, несмотря на негативное влияние любых из перечисленных выше факторов.

Проиллюстрируем последнее утверждение примером решения задачи по получению деминерализованной воды (с остаточной электропроводимостью не более 0,1 мкСм/см) в случае, когда исходной является речная поверхностная вода.

Традиционным методом решения данной задачи является применение технологической схемы водоподготовки , представленной на рис. 1. На рис. 2 можно увидеть, как выглядит альтернативное решение с использованием «интегрированных мембранных технологий».

Ультрафильтрация обеспечивает предподготовку поверхностной воды перед ее дальнейшей деминерализацией. При использовании ультрафильтрации воды , заменяющей стадии известкования с коагуляцией и осветлительного фильтрования, резко сокращается потребление реагентов, потребление воды на собственные нужды со ставляет менее 10 % (зачастую - лежит в пределах 2-5 %), а в фильтрате отсутствуют взвеси и коллоиды.

Приведенные данные позволяют оценить экономическую эффективность от применения ультрафильтрации воды в сравнении с традиционной предподготовкой.

Использование технологии обратного осмоса (или нанофильтрации в комбинации с обратным осмосом) для целей деминерализации воды также дает ряд преимуществ перед схемой традиционного двухступенчатого параллелькоточного ионирования:

• во-первых, применение мембранных технологий не сопровождается расходом большого количества реагентов (кислот и щелочей) на регенерацию;
• во-вторых, исключается образование высокоминерализованных сточных вод , вызванных сбросом избытков реагентов при регенерациях;
• в-третьих, достигается значительно более высокая, чем при ионном обмене, степень удаления из обрабатываемой воды органических соединений (в том числе неполярных) и коллоидной кремневки;
• в-четвертых, отсутствует необходимость нейтрализации сбрасываемых сточных вод .

Таким образом, эксплуатационные затраты при использовании мембранных методов водоподготовки оказываются существенно ниже, чем в случае применения традиционной технологии ионирования. На рис. 3 показана так называемая точка экономического равновесия эксплуатационных затрат при использовании мембранной и ионообменной технологий деминерализации воды в зависимости от значения солесодержания исходной воды. Отметим: в рассматриваемом случае подразумевалось, что для ионного обмена применяется технология противоточной регенерации (например, АПКОРЕ, чьи затраты на реагенты в 1,5-2 раза ниже, чем при параллельноточной регенерации).

Заметим, что в современных условиях обессоливающие установки, принцип действия которых основан на применении процесса выпарки {термодистилляции}, вряд ли смогут конкурировать по показателю эксплуатационных затрат с ИМТ для обработки воды с солесодержанием до 2 г/л. Себестоимость обессоленной воды, полученной термодистилляционным методом, составит не менее 30 руб./м 3 , даже если принять, что тепловые потери при выпарке будут находиться на теоретически минимальном уровне, а себестоимость 1 Гкал равняется 200 руб.

Наконец, электродеионизация воды, являясь безреагентной и бессточной мембранной технологией водоподготовки , обеспечивает остаточную электропроводимость деминерализованной воды на уровне 0,08 мкСм/см. Очевидно, что и эксплуатационные затраты на электродеионизацию будут ниже, чем для ФСД. Правда, следует отметить, что стабильность показателей работы установки электродеионизации воды зависит от того, насколько хорошо функционирует система обратного осмоса : в случае возникновения сбоев в работе последней неизбежным следствием будет снижение эффективности процесса электродеионизации воды.

С учетом данного обстоятельства вместо электродеионизации (для случаев, когда требуется обеспечить высочайшую степень надежности работы технологической схемы обессоливания воды) можно применить противоточное Н-ОН-ионирование или ФСД.

Если вариант с ФСД пред почтительнее по показателям экономии реагентов при регенерации, то противоточное Н-ОН-ионирование - по соображениям простоты автоматизации и удобства в эксплуатации. Кроме того, если в установке Н-ОН-ионирования предусмотрено использование технологии АПКОРЕ , то технологическая схема обретает дополнительную степень устойчивости и может эксплуатироваться даже в условиях байпассирования обратного осмоса .

Сама по себе технология противоточной регенерации ионитов АПКОРЕ с успехом используется в тех случаях, когда потребитель намерен ограничиться только реконструкцией (в противоток) существующей параллельно-точной ионообменной установки водоподготовки , или в условиях, когда значение солесодержания исходной воды стабильно ниже 100 мг/л, а неполярная органика и коллоидная кремневка присутствуют в ней в пренебрежимо малом количестве.

Рассматривая задачу умягчения воды , стоит упомянуть схему, в которой нанофильтрация сопровождается доумягчением на натрий-катионитных фильтрах.

Благодаря способности нанофильтрационных мембран хорошо задерживать поливалентные ионы нанофильтрация с успехом применяется для решения задач по умягчению воды. Если из-за высокого значения жесткости исходной воды нанофильтрация не обеспечивается требуемая степень умягчения воды, фильтрат направляется на натрий-катионитные фильтры для доумягчения. Причем эти фильтры функционируют как в режиме противоточной регенерации (например, АПКОРЕ), так и в параллельноточном режиме, если частота регенераций натрий-катионитных фильтров невысока (например, менее двух раз в месяц).

В последние годы всё отчетливее проявляется стремление потребителей перерабатывать сточные воды с целью их повторного использования в технологическом цикле. При этом традиционными задачами, решаемыми путем применения мембранных технологий (чаще всего - ультрафильтрация в сочетании с обратным осмосом ), являются сокращение объема сбрасываемых сточных вод и снижение уровня потребления воды, забираемой из природных источников.

В то же время, применение мембранных технологий водоподготовки позволяет подойти к решению еще одной очень важной экологической проблемы - резкому сокращению потребления соли, используемой для регенерации действующих фильтров ионообменного умягчения воды . Указанная цель достигается посредством повторного использования солесодержащих стоков после обработки для регенерации натрий- катионитовых фильтров.

Описание:

Систем подготовки питательной воды паровых котлов среднего и высокого давления («крышных котельных» и мини-ТЭЦ) для теплоснабжения зданий или городских жилых комплексов (ЦТП) (в комбинации разработанных систем нанофильтрации с системами обратного осмоса).

Современным зданиям – современные технологии водоснабжения!

Разработка новых технологий и аппаратов на основе метода нанофильтрации для систем водо- и теплоснабжения городских зданий

А. Г. Первов , проф., д-р техн. наук, кафедра водоснабжения МГСУ

А. П. Андрианов , канд. техн. наук, кафедра водоснабжения МГСУ

Д. В. Спицов

В. В. Кондратьев , инженер, кафедра водоснабжения МГСУ

Современные темпы развития строительных технологий не всегда идут в ногу с развитием технологий водоподготовки, используемых для санитарно-технического оснащения современных зданий. Применение явно устаревших технологий часто создает помехи строительству. Например, необходимость создания станций доочистки воды в зданиях заставляет решать вопросы размещения, монтажа и эксплуатации (сервисного обслуживания). Поэтому от выбранной технологии зависят не только качество воды, но и габариты сооружений, затраты на монтаж и эксплуатацию, учитывающие объемы сточных вод и воды на собственные нужды.

Традиционные технологии, использующие напорные фильтры с загрузками из песка, угля и ионообменных смол достаточно «громоздки», требуют затрат при их эксплуатации (замене загрузок или их регенерации), образуют стоки при их промывке и регенерации.

Совершенствование систем нанофильтрации позволяет создать оборудование с минимальными весом и габаритами, простотой монтажа и «наращивания» мощности, минимальными затратами на обслуживание, отсутствием реагентов и расходных материалов.

Современная экологическая ситуация способствует более широкому использованию мембранных систем. Это объясняется в первую очередь ужесточающимися требованиями к качеству питьевой воды - содержанием хлорорганических соединений, болезнетворных бактерий, фторидов, нитратов, ионов стронция и т. д. Современные мембраны демонстрируют бесспорную эффективность и универсальность в очистке воды от различных видов загрязнений. Второй главной чертой современных мембранных технологий является их «экологическая» чистота - отсутствие потребляемых реагентов и, соответственно, опасных для окружающей среды сбросов и осадков, создающих проблему их утилизации. Введение платы за пользование водопроводной водой и за сбросы в канализацию заставляет использовать водоочистные системы, потребляющие минимальное количество воды и не имеющие сбросов. Современные разработки систем водоподготовки с применением мембранных технологий позволяют снабжать инженерные системы качественной водой, тем самым обеспечив надежность и качество их работы.

Мембранные процессы ультрафильтрации и нанофильтрации давно привлекают внимание специалистов по водоснабжению благодаря своей «универсальности» - возможности одновременного удаления ряда загрязнений различной природы: биологических (бактерий и вирусов), органических (гуминовых кислот и др.), коллоидных, взвешенных, а также растворимых в ионном виде. Различия в мембранных процессах состоят в уровне очистки воды (проскоку в очищенную воду тех или иных загрязнений), зависящем от размера пор мембран.

Технология нанофильтрации известна достаточно давно и уже начинает применяться в питьевом водоснабжении благодаря эффективному снижению содержания органических соединений (цветности, летучих хлорорганических соединений) и железа, а также жесткости .

Метод нанофильтрации уже широко применяется для очистки поверхностных и подземных вод, в том числе и на крупных городских сооружениях (например, на станциях в Париже - 10000 м 3 /ч и Нидерландах - 6000 м 3 /ч).

Однако до сих пор метод нанофильтрации рассматривается как разновидность метода обратного осмоса со всеми его недостатками: необходимостью тщательной предочистки для предотвращения образования отложений карбоната кальция и осадков органических и коллоидных веществ; высокими эксплуатационными расходами, связанными с дозированием реагентов предочистки, использованием моющих растворов и высокой стоимостью замены мембранных модулей; традиционными мембранными модулями типа «рулон», не отличающимися высокой надежностью. Высокие расходы реагентов и другие эксплуатационные затраты заставляют специалистов пока скептически относиться к использованию нанофильтрации для подготовки воды высокого качества на крупных водоочистных станциях несмотря на бесспорную эффективность в сравнении с «классическими» коагуляционными и окислительно-сорбционными технологиями.

В настоящее время широкие масштабы промышленного внедрения имеет метод ультрафильтрации, который применяется в основном на очистных сооружениях городских водопроводов: с декабря 2006 года - в Москве на Юго-Западной станции (а также на водоочистных станциях Парижа, Лондона, Амстердама, Сингапура, в ряде городов США, Канады).

Однако применение ультрафильтрационных мембран (с размером пор 0,01-0,1 мкм) имеет весьма ограниченную область применения (снижение коллоидных частиц и бактерий) и не универсально при очистке вод различного состава. Поэтому в схемах очистки воды ультрафильтрация используется в сочетании с другими технологиями (коагуляционной и окислительно-сорбционной). Главными достоинствами ультрафильтрации является очень высокая удельная производительность (более 100 л/м 2 ч по сравнению с 35-40 л/м 2 ч у нанофильтрации) и возможность проведения промывки мембран обратным током для удаления с мембран загрязнений.

Разработка новой технологии очистки воды с применением нанофильтрации

Таким образом, целью работы стало изучение возможности преодоления основных недостатков метода нанофильтрации и создание технологии, сочетающей эффективность нанофильтрации и простоту ультрафильтрации.

Предпосылки для создания такой технологии созрели уже давно . Известны способы очистки поверхностных вод с помощью нанофильтрации крупных европейских фирм Norit (Нидерланды) и PCI (Великобритания), использующие специальные трубчатые конструкции, позволяющие снизить осадкообразование и проводить гидравлические промывки со сбросом давления для «срыва» загрязнений с поверхности мембран . Однако аппараты трубчатых конструкций имеют очень малую удельную поверхность мембран и существенно увеличивают объемы установок и их энергопотребление, что в конечном счете выражается в высоких значениях удельных капитальных и эксплуатационных затрат.

Современные мембранные аппараты рулонной конструкции обладают большим преимуществом перед аппаратами с мембранами трубчатой формы в виде полого волокна, используемых в современных ультрафильтрационных установках - это плотность «упаковки мембран» или высокая удельная поверхность мембран на единицу объема аппарата. При одинаковых размерах «стандартных» мембранных модулей (диаметр 200 мм, длина 1000 мм) суммарная поверхность мембран в ультрафильтрационном модуле составляет 18-20 м 2 , а в нанофильтрационном 35-40 м 2 . Более того, стоимость производства рулонного модуля с плоскими мембранами значительно (на 50-60 %) дешевле, чем половолоконного. Поэтому основным направлением работы стало усовершенствование рулонной конструкции с целью повышения надежности работы и «устойчивости» к загрязнениям. Несовершенство конструкции рулонного элемента связано с наличием в нем сетки-сепаратора (рис. 1), являющейся «ловушкой» для загрязнений. Поэтому создание аппаратов с «открытым» каналом без мешающей сетки позволяет избежать накопления загрязнений во время работы и обеспечить возможность проведения гидравлических промывок со сбросом давления . Подбор оптимальных по своим свойствам нанофильтрационных мембран и разработка технологии производства мембранных модулей различных типоразмеров позволили создать безреагентные технологии для ряда случаев очистки воды. Отсутствие реагентов в схеме обеспечивается, с одной стороны, высокой эффективностью мембран в отношении задержания растворенных примесей, с другой - постоянным отводом загрязнений с поверхности мембран благодаря автоматизированным гидравлическим промывкам и поддержанием фильтрующей поверхности мембран «в чистоте».

Благодаря разработанным конструкциям аппаратов и автоматизированным промывкам созданы технологии, позволяющие очищать воду с высоким содержанием взвешенных веществ, железа, жесткости, цветности. В зависимости от состава очищаемой воды (главным образом содержания органических веществ различной природы) выбирается марка мембран с наиболее подходящими селективными свойствами. Для очистки поверхностных и подземных вод были опробованы различные типы мембран, но наибольшую эффективность продемонстрировали новые разработки мембран из ацетата целлюлозы со специальными стабилизирующими добавками. Из-за гидрофильной поверхности мембраны чрезвычайно эффективно задерживают ионы железа, растворенные органические вещества. Кроме того, благодаря поверхностным свойствам ряд коллоидных и органических соединений хуже осаждается на ацетатных мембранах, чем на композитных. Описанные выше положения были доказаны путем всесторонних исследований, описанных в прилагаемых публикациях. Аналогов разработанным аппаратам и мембранам пока нет как у отечественных, так и у зарубежных фирм. Технология получения мембран и производства рулонных элементов с «открытым» каналом также представляет ноу-хау и подробно не раскрывается. Попытки усовершенствовать каналы рулонных элементов проводились рядом авторов давно, однако результаты не были доведены до широкого промышленного внедрения вследствие сложности технологии. В настоящей работе используется технология изготовления, ранее изложенная и запатентованная, но благодаря совместным действиям авторов усовершенствованная и находящаяся в стадии патентования.

Разработанные нанофильтрационные аппараты оказываются конкурентоспособными по стоимости, производительности и режиму промывки с ультрафильтрационными аппаратами, будучи гораздо эффективнее по частным свойствам. На рис. 2 показаны зависимости производительности аппаратов «стандартного» размера от времени при очистке поверхностной воды из реки.

Вследствие потери производительности при образовании на мембранах осадков и необратимого забивания пор взвешенными частицами средняя производительность ультрафильтрационных мембран оказывается на 40-50 % меньше «паспортного», отличаясь на 30-40 % от производительности аппарата с нанофильтрационными мембранами.

Технология доочистки воды из водопровода в городских зданиях

Вода в централизованных водопроводах часто содержит взвешенные коллоидные вещества (например, гидроокись железа), а также бактерии вследствие вторичного загрязнения воды в водоводах. В ряде случаев наблюдается повышенное содержание хлор-органических веществ (во время паводков). Традиционно для удаления взвешенных веществ используются механические напорные фильтры, а для снижения содержания органических веществ и запахов - фильтры с сорбционной загрузкой.

Главными недостатками такого подхода являются: использование достаточно громоздких фильтров (обычно импортных из стеклопластика диметром 0,75-1,2 м и высотой более 2 м); трудности при монтаже фильтров в существующих помещениях; сложности обслуживания и замены загрузок; достаточно быстрое истощение сорбционной емкости угля и необходимость его замены.

В последнее время вместо механических фильтров используются установки ультрафильтрации, позволяющие обеспечить более глубокое удаление из воды коллоидов железа, бактерий и вирусов. Кроме того, мембранные установки компактны, имеют значительно меньший вес и объем по сравнению с механическими фильтрами, что особенно важно при их использовании и размещении в городских зданиях. Однако использование сорбционных фильтров в городских зданиях требует, вследствие ограниченной сорбционной емкости загрузок, достаточно высоких затрат на сервисное обслуживание таких установок.

Применение нанофильтрационных установок позволяет решить проблему удаления органических загрязнений из водопроводной воды без применения сорбционных фильтров и при минимальных эксплуатационных затратах.

Расчеты и исследования показывают, что удаление методом нанофильтрации большинства (свыше 90 %) органических загрязнений позволяет продлить ресурс сорбционных фильтров в 10-20 раз или соответственно уменьшить их объем, ограничившись использованием картриджных фильтров только на случай присутствия в воде запахов в период паводков или аварийных ситуаций на водоисточнике. Кроме того, нанофильтрационные мембраны частично убирают из воды жесткость и щелочность, делая воду пригодной для использования в системах теплоснабжения и горячего водоснабжения, избавляя заказчика от необходимости использования умягчителей и дополнительных расходных материалов (таблетированной соли).

Современные заказчики на городских объектах часто сами формируют дополнительные требования к качеству воды, значительно более жесткие, чем требования существующих международных стандартов ВОЗ и СанПиН, что вызвано наличием в зданиях «особых» потребителей - поликлиник, медицинских оздоровительных центров, предприятий общепита и др.

Так, например, при проектировании систем СТОЗ небоскреба «Федерация» проектировщики «столкнулись» с требованиями по содержанию железа -0,05 мг/л, ГСС (галогенсодержащих соединений) -10 мкг/л (против нормативов ВОЗ: 0,3 мг/л и 200 мкг/л соответственно). Похожие требования оказались решающими при выборе систем нанофильтрации для водоснабжения зданий Центральной тыловой таможни и поликлиники ФСБв Москве в 2002 году (рис. 3, 4).

В настоящей работе проведены исследования по сравнению эффективности снижения в водопроводной воде окисляемости и содержания растворенных органических веществ с использованием систем ультрафильтрации с сорбционной доочисткой и систем нанофильтрации. Качество очищенной воды оценивалось по показателям окисляемости .

Качество воды обобщенно оценивается по характеру кривых светопоглощения, где молекулярному весу и природе органических веществ соответствуют определенные длины волны.

На рис. 5 показаны кривые светопоглощения водопроводной воды, пропущенной через нанофильтрационные мембраны 4 и фильтр с загрузкой из угля 2 и 3. Применение нанофильтрационных мембран 4 позволяет получить воду с низкими показателями окисляемости. При дополнительном использовании сорбционных фильтров после нанофильтрации только для удаления запаха ресурс их увеличивается во много раз. Результаты ресурсных испытаний сорбционного фильтра (определение его сорбционной способности) показаны на рис. 6.

Экономический эффект от применения технологии нанофильтрации определяется сокращением затрат на обслуживание установок доочистки.

Технология очистки воды для целей теплоснабжения и вентиляции

Современное состояние городского строительства требует решения проблем снабжения зданий не только качественной питьевой водой, удовлетворяющей требованиям СанПиН, но в ряде случаев водой для специальных технологических нужд:

подпитка контуров теплосети и отопления;

подпитка контуров оросителей и испарителей систем кондиционирования воздуха;

Подпитка паровых котлов «крышных котельных» для систем теплоснабжения.

В зависимости от требований к качеству подготовленной воды в системах нанофильтрации используются различные типы мембран с различными показателями селективности (солезадерживающей способностью). При использовании мембранных установок для нужд подпитки теплосети и горячего водоснабжения, карбонатный индекс KI очищенной воды должен удовлетворять следующим условиям:

КI=[Са +2 ]· ≤ 2-5,

где , значения концентраций кальция и щелочности, выраженные в мг-экв/л.

Для обеспечения таких требований идеально подходят нанофильтрационные мембраны в сочетании с разработанными мембранными элементами с «открытым каналом», исключающим образование застойных зон в аппаратах и образование в них осадка карбоната кальция, резко снижающего время работы аппарата .

При необходимости получения питательной воды для паровых котлов и контуров систем кондиционирования воздуха требуется вода со значениями жесткости на уровне 0,01-0,02 мг-экв/л. Традиционно для получения глубоко умягченной воды используются двухступенчатые системы Na-катионирования или (в настоящее время) вместо I ступени Na-катионирования - установки обратного осмоса . И в том, и в другом случае схемы глубокого умягчения требуют высоких эксплуатационных затрат (на таблетированную соль, ингибитор, моющие растворы, частое сервисное обслуживание) и решения проблем утилизации регенерационных растворов. При использовании представленных в работе разработок созданы схемы двухступенчатого умягчения (с использованием на I ступени мембранных нанофильтрационных аппаратов) и аппаратов обратного осмоса на II ступени (рис. 7).

Такие схемы позволяют избежать применения реагентов при их эксплуатации и обеспечить длительный (свыше 2500 часов) период безостановочной работы. В ряде случаев целесообразно использовать специально разработанные патроны с порошкообразным ингибитором для повышения надежности систем обратного осмоса.

Для определения эксплуатационных характеристик мембранных схем с использованием аппаратов обратного осмоса и нанофильтрации (определение типов моющих растворов, времени непрерывной работы и др.) разработана специальная компьютерная программа.

Пример сравнения эксплуатационных затрат различных схем глубокого умягчения показан на рис. 8.

Благодаря использованию новых типов мембран и мембранных аппаратов время работы максимально увеличено, что ведет к снижению затрат по обслуживанию установки (рис. 9).

Общий вид двухступенчатых мембранных систем показан на рис. 10.

Описанные технологии применяются при разработке:

Систем очистки воды для централизованного водоснабжения: станции очистки поверхностной воды и станции очистки подземной воды производительностью до 10000 м 3 /ч; системы полностью безреагентные;

Систем очистки воды для микрорайонов и комплексов промышленных и торговых зданий;

Систем улучшения качества водопроводной воды для отдельных жилых и офисных зданий;

Систем подготовки воды подпитки теплосетей и бойлеров жилых и промышленных зданий;

Систем улучшения качества питательной воды из технических водопроводов городских предприятий;

Систем подготовки питательной воды паровых котлов среднего и высокого давления («крышных котельных» и мини-ТЭЦ) для теплоснабжения зданий или городских жилых комплексов (ЦТП) (в комбинации разработанных систем нанофильтрации с системами обратного осмоса). Разработанные технологии позволяют решать поставленные проблемы с применением компактного, легко монтируемого оборудования с простым «наращиванием» мощности, обеспечивающего автоматизированный круглосуточный режим работы, не нуждающегося в реагентах и расходных материалах и требующих сервисных мероприятий не чаще чем через 6 месяцев непрерывной работы.

Для водоснабжения крупного (жилого или гостиничного здания) система водоподготовки может состоять из четырех мембранных блоков общей производительностью 50 м 3 /ч. Габариты каждого блока (производительностью 12 м 3 /ч) составляют 1,5 м (глубина) х 1,5 м (высота) х 0,5 м (ширина). Общие габариты станции производительностью 50 м 3 /ч составляют (ШхДхВ) 3,5х1 ,5х1,5 м. В комплект поставки каждого блока входят: повысительный насос, мембранные аппараты, картриджи доочистки с углем. Эксплуатация системы состоит в проведении профилактических промывок (1 -2 раза в год) и замене угольных картриджей (1 раз в год). Срок службы мембран составляет 5 лет. Компоновка одного блока показана на рис. 11, общий вид одного блока производительностью 12 м 3 /ч показан на рис. 12.

Литература

1. Первов А. Г. Андрианов А. П. Современные мембранные системы нанофильтрации для подготовки питьевой воды высокого качества // Сантехника. 2007. № 2.
2. Futselaar M. et all. Direct capillary nanofiltration for surface water. // Desalination. V. 157(2003), p. 135-136.
3. Futselaar H., Schonewille H., MeerW. Direct capillary nanofiltration for surface water. (Presented at the European Conference on Desalination and the Environment: Fresh Water for All, Malta, 4-8 May 2003. EDS, IDA) // Desalination. 2003. Vol.157, p. 135-136.
4. Bruggen B., Hawrijk I., Cornelissen E., Vandecasteele С Direct nanofiltration of surface water using capillary membranes: comparison with flat sheet membranes. // Separation and Purification Technology. 2003.
5. Bonn_ P.A.C., Hiemstra P., Hoek J.P., Hofman J.A.M.H. Is direct nanofiltration with air flush an alternative for household water production for Amsterdam? // Desalination. 2002. V. 152, p. 263-269.
6. Web-сайт Trisep http://www.trisep.com.
7. Web-сайт PIC Membranes http://www.pcimem.com.
8. Pervov Alexei G., Melnikov Andrey G. The determination of the required foulant removal degree in RO feed pretreatment. // IDA world conference on Desalination and Water reuse August 25-29, 1991, Washington. Pretreatment and fouling.
9. Pervov A.G. A simplified RO process design based on understanding of fouling mechanisms.// Desalination 1999, Vol. 126.
10. Riddle Richard A. Open channel ultrafiltration for reverse osmosispretreatment. // IDA world conference on Desalination and Water reuse August 25-29, 1991, Washington. Pretreatment and fouling.
11. Первов А.Г. Мембранный рулонный элемент. Патент №2108142, выд. 10.04.1998.
12. Irvine Ed, Welch David, Smith Alan, Rachwal Tony. Nanofiltration for colour removal - 8 years operational experience in Scotland. // Proc. Of the Conf. on Membranes in Drinking and Industrial Water Production. Paris, France, 3-6 October 2000. V 1, p. 247-255.
13. Pervov A.G. Scale formation prognosis and cleaning procedure schedules in reverse osmosis operation. // Desalination 1991, Vol. 83.
14. Hilal Nidal, Al-Khatib Laila, Atkin Brian P., Kochkodan Victor, Potapchenko Nelya. Photochemical modification of membrane surfaces for (bio)fouling reduction: a nano-scale study using AFM // Desalination 2003, Vol. 156, p. 65-72.
15. Hilal Nidal, Mohammad A. Wahab, Atkina Brian, Darwish Naif A.Using atomic force microscopy towards improvement in nanofiltration membranes properties for desalination pre-treatment: A review // Desalination 2003, Vol. 157, p. 137-144.
16. Первов А. Г., Мотовилова Н. Б., Андрианов А. П., Ефремов Р. В. Разработка систем очистки цветных вод северных районов на основе технологий нанофильтрации и ультрафильтрации // Очистка и кондиционирование природных вод: Сб. науч. трудов. Вып. 5. М., 2004.
17. Первов А. Г., Андрианов А. П., Спицов Д. В., Козлова Ю. В. Выбор оптимальной схемы доочистки водопроводной воды в городских зданиях с использованием мембранных установок // Сборник докладов седьмого международного конгресса «Вода: экология и технология». Том 1.
18. Первов А. Г., Бондаренко В. И., Жабин Г. Г. Применение комбинированных систем обратного осмоса и ионного обмена для подготовки питательной воды паровых котлов // Энергосбережение и водоподготовка. 2004. № 5.