CC BY
58
УДК 502/504:628.1
В. Г. ДЗЮБЕНКО, В. П. ДУБЯГА
ЗАО НТЦ «Владипор», город Владимир
А. Л. БИРЮКОВ
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ ПОЛНОЦЕННОЙ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
Одна из задач агропромышленного комплекса - неудовлетворительное состояние в обеспечении сельского населения физиологически полноценной и безопасной питьевой водой. Рынок услуг по получению питьевой воды высокого качества стремительно развивается. Мембранные технологии в этой сфере приобретают все более широкое распространение.
Питьевая вода высокого качества, очистка водных источников, промышленное производство мембран, очистное оборудование, обратный осмос, нанофильтра-ция, фильтрующий элемент.
One of the acutest problems in the present agricultural - industrial complex is the unsatisfactory situation of providing the rural population with physiologically valuable and safe drinking water. It is not possible to solve the problem without attracting modern technologies on cleaning water sources for man's consumption. The market of services on producing drinking water of high quality is impetuously developing. Membrane technologies in this sphere are getting more and more widespread.
Drinking water of high quality, water sources cleaning, membrane industrial production, treatment equipment, reverse osmosis, nanofiltering , filtering element.
На основании решения Правительства России по вопросу повышения эффективности и обеспечения комплексного использования водных ресурсов в Российской Федерации намечена разработка «Водной стратегии Российской Федерации на период до 2020 года», определяющей основные направления действий по совершенствованию системы управления в сфере использования водохозяйственного комплекса страны с учетом интересов различных категорий водопользователей, в том числе пользователей АПК.
Агропромышленный комплекс -крупнейший сектор национальной экономики России - производит около трети валового общественного продукта. В АПК сосредоточено 30 % работников, занятых в материальной сфере. Развитие АПК в значительной мере зависит от надежности обеспечения сельского населения водой необходимого количества и качества, орошения земель и т.д.
В России каждый второй житель пользуется питьевой водой, не соответствующей по ряду показателей гигиеническим требованиям, почти треть населения страны пользуется децентрализованными источниками водоснабжения без соответствующей водоподготовки. К настоящему времени установлена причинно-следственная связь ряда заболеваний и продолжительности жизни от качества питьевой воды в различных регионах России. В системах сельскохозяйственного водоснабжения менее 40 % сельского населения имеют вводы водопровода в дома. Локальные системы, используемые в основном для централизованного водоснабжения, имеют водозабор подземных вод, башни, резервуар чистой воды и водопроводные сети. Из 180 тыс. буровых скважин 45 % эксплуатируется более 20 лет и имеет износ, близкий к критическому, 55 % локальных водопроводов находится в
неудовлетворительном состоянии и нуждается в реконструкции. Методы обработки исходной воды весьма разнообразны: сорбция на активированном угле или сорбентах, химическая обработка воды, ультрафиолетовое воздействие, мембранные технологии, приобретающие все более широкое распространение. Методы, используемые в мембранных технологиях: микро-, ультра-, нанофильт-рация и обратный осмос.
С помощью микрофильтрации удаляются взвешенные частицы и крупные коллоиды размером до 100 нм. Это позволяет делать гигиенические и па-разитологические анализы, стерилизующую и обеспложивающую фильтрацию, холодную стабилизацию вин, финишную очистку ликеро-водочной продукции, осуществлять предподготов-ку воды перед нанофильтрацией и обратным осмосом, концентрирование целевых продуктов в биотехнологии.
Благодаря ультрафильтрации удаляются частицы, находящиеся в истинном растворе и имеющие размер до 0,01 мкм (10 нм). Как правило, это высокомолекулярные органические вещества или агрегаты молекул. Основные области применения - это водо-подготовка, концентрирование и разделение белковых растворов, в частности в молочной промышленности.
Удалить же из воды растворенные соли возможно с помощью нанофильт-рации и обратного осмоса. Однако использование обратного осмоса для очистки водных сред с солесодержани-ем до 3 г/л приводит к полному обес-соливанию, после чего воду невозможно использовать в качестве питьевой без искусственной минерализации. Часто и совершенно незаслуженно нанофиль-трацию недостаточно информированные технологи воспринимают как «плохой» обратный осмос, хотя именно этот процесс в большинстве случаев пригоден для получения полноценной высококачественной питьевой воды со значительно меньшими по сравнению с обратным осмосом капитальными и эксплуата-
ционными затратами. Сегодня единственной технологией, способной гарантировать высокое качество питьевой воды, является мембранная, а именно нанофиль-трация, уменьшающая жесткость, снижающая содержание растворенных галогенсодержащих соединений, железа.
Современные нанофильтрационные мембраны обладают широкими возможностями - в зависимости от заданных характеристик мембран можно получать воду определенного качества (со сниженной жесткостью, с сульфатами, с органическими веществами и т.д.). Несомненным преимуществом нано-фильтрационных мембран при их использовании для улучшения качества водопроводной воды является не только изменение ионного состава, но и удаление хлорорганических соединений и микроэлементов. Применение разработанной технологии дает ключ изготовителям мембран эффективно определять область их применения, а поставщикам мембранных систем достигать наиболее оптимального макрокомпонентного состава очищенной воды.
В области внедрения нанофильт-рационных установок накоплен опыт эксплуатации сотен систем. С течением времени в мембранных аппаратах появляются осадки (солей жесткости, гидроокиси железа, взвешенных веществ и др.), что вызывает изменение качества фильтрата - увеличивается жесткость, появляются соли железа, фториды и т.д. Накопленный опыт позволяет прогнозировать и производить смену-регенерацию мембранных фильтров до «проскока» в фильтрат нежелательных компонентов. Важной составляющей частью проводимых в настоящее время исследований является совершенствование самих мембран и программ прогнозирования качества воды с определением для каждого типа мембран и составов воды сроков надежной работы мембран до «проскока» в фильтрат загрязнений.
Современные нанофильтрацион-ные мембраны и элементы на их основе позволяют задерживать соли,
состоящие из моно- или поливалентных ионов. Так, например, сульфаты, карбонаты, фосфаты задерживаются на 95 % и более, а хлориды, бикарбонаты, нитриты - на 50...70 %. Значительно лучше задерживаются соли кальция, магния, железа, марганца, тяжелых металлов, чем соли натрия, калия, лития. Применение же обратного осмоса позволяет удалять из исходной воды все растворенные соли - и вредные, и полезные. Фильтрат после обратного осмоса можно пить, если искусственно добавить все необходимые для организма человека соли. Получить питьевую воду, например из морской воды, можно только с применением высоконапорного обратного осмоса с селективностью не менее 99,5 %. Опыт показывает, что при общем солесодер-жании исходной воды до 2 г/л целесообразно применение нанофильтрации, а не обратного осмоса.
Разработка и освоение опытного промышленного производства композитных нанофильтрационных мембран, занимающих промежуточное положение между ультрафильтрационными и обратноосмотическими, имеющих селективность по хлориду натрия в диапазоне 50.70 % при достаточно высокой селективности (выше 90 %) по солям жесткости, делает их весьма привлекательными для удаления органических веществ с молекулярной массой более 100 Б и частичного обессоливания воды. Это особенно важно для регионов, где
применение обратного осмоса может привести к практически полному обес-соливанию, что крайне нежелательно, поскольку употребление в пищу воды с содержанием кальция менее 20 мг/л вызывает остеопороз, очень неприятное заболевание опорно-двигательной системы, а также оказывает негативное воздействие на сердечно-сосудистую систему. В табл. 1 приведены сравнительные характеристики нанофильтра-ционных мембран, разработанных и выпускаемых ЗАО НТЦ «Владипор», и зарубежных аналогов.
Подбор конструкционных материалов и клеевых композиций должен обеспечить высокую технологичность изготовления элементов и полную реализацию функциональных свойств мембран. Для удобства комплектования установок разработаны и в настоящее время выпускаются пятнадцать типоразмеров нанофильтрационных рулонных фильтрующих элементов, отличающихся друг от друга габаритами, материалами, характеристиками. Большинство типов элементов соответствует по габаритам международным стандартам. В табл. 2 приведены характеристики нанофильтрационных и обратноосмотических рулонных элементов наиболее распространенных типоразмеров.
В табл. 3 представлены данные характеристик рулонных фильтрующих элементов, работающих в составе различных нанофильтрационных установок.
Таблица 1
Сравнительные характеристики композитных нанофильтрационных мембран ЗАО НТЦ «Владипор» и аналогов ведущих зарубежных стран
Показатель «Владипор», Россия «Нуёгапаийсв», США «Остошсв», США «БаеИап», Корея
Марка мембраны ОПМН-П Е8МА Б8-5 Данных нет
Производительность, л/м2ч >120 45 40 54
Селективность по Мй804, % >98 >98 >98 >98
Диапазон рН (рабочий) 2...12 3...10 2...11 3...10
Стойкость к активному хлору, мг/л 1 <0,1 <0,1 <0,5
Таблица 2
Сравнительные характеристики рулонных фильтрующих элементов ЗАО НТЦ «Владипор» и аналогов ведущих зарубежных стран
Характеристика «Владипор», Россия «Нускапаийсв», США «Остошсв», США «Saehan», Корея
Рулонные нанофильтрационные элементы
Марка элемента ЭРН-КП-100-1016 ESNA 1-4040 DK4040C
Производительность, л/ч Селективность по М§804, % 500 99 360 70 (NaCl) 315 98 Данных нет
Стоимость, долл. 200 300 350
Марка элемента ЭРН-КП-200-1016 ESNA 1-LF DK 8040C ЫЕ 8040^
Производительность, л/ч Селективность по MgS04, % 2500 99 1200 99 1260 98 1890 98,5
Стоимость, долл. 650 850 900 Данных нет
Рулонные обратноосмотические элементы
Марка элемента ЭРО-КНИ-100-1016 ESPA 1-4040 AG4040T ИЕ 4040-ВЬ
Производительность, л/ч 450 400 370 400
Селективность по КаС1, % 99 99 99 99
Стоимость, долл. 220 280 300 260
Марка элемента ЭРО-КНИ-200-1016 ESPA 1-8040 AK 8040 F400 ИЕ 8040-ВЬ
Производительность, л/ч Селективность по МаС1, % 1890 99 1890 99 1650 98 1890 99
Стоимость, долл. 850 770 750 Данных нет
Таблица 3
Характеристики нанофильтрационных элементов на реальных средах
Селективность по модельному раствору №С1, % Элемент № 1 Элемент № 2
60 70
По катионам:
Натрий* 40...45
Калий* 40...45
Магний* 92...94 96
Кальций* 93...95 97
Алюминий* 95...98
Железо** 98...99 99
Никель** 98...99
Хром** 98...99
Медь** 99
Аммоний** 30...35
По анионам:
Хлориды* 40...50 65
Бикарбонаты* 50...60 75
Нитраты* 40...50
Фториды* 40...50
Силикаты* 90...95
Сульфаты* 96...98
Фосфаты* 90...95
ХПК* 50...70 85
Ацетаты*** 90...95
АПАВ*** 90...95
Танниды**** 90...95
Условия испытаний: £ = 20...25 °С, подача исходного раствора на ЭРН-КП-100-1016 не менее 1500 л/ч. Примечания: * - вода водопроводная различных источников; ** - модельный раствор, концентрация тяжелых металлов 25.50 мг/л; *** - расшлихтованный раствор производства хлопчатобумажных тканей, концентрация АПАВ - 50 мг/л, ацетат-иона - 2 г/л; **** - экстракт лузги гречихи, концентрация танни-дов от 3 до 20 г/л.
Большая часть нанофильтрацион-ных элементов используется для комплектации установок по получению питьевой воды из различных источников. В основном это относится к качеству очищенной воды и степени конверсии, т.е.
к доле полученной чистой воды от общего количества воды, поданной на очистку. В табл. 4, 5, 6 приведены характеристики работающих установок по получению высококачественной воды.
Таблица 4
Нанофильтрационная установка по получению питьевой воды из поверхностных источников
Характеристика установки Данные анализа воды Исходная вода Очищенная вода
Производительность — 10 м3/день Общая жесткость, мг-экв/л 3...5 1...2
8042\ МГ/Л 20...30 5...10
Рабочее давление — 12-105 Па Щелочность, мг-экв/л 3...4 1...2
Цветность, град до 30 0
Отбор фильтрата — 70 % Мутность, мг/л до 15 0
Железо общее, мг/л до 1 0
Примечание: установки (40 штук) находятся в городе Альметьевске.
Таблица 5
Нанофильтрационная установка получения питьевой воды из
артезианского источника
Характеристика установки Данные анализа воды Исходная вода Очищенная вода
Производительность — 10 м3/день Общая жесткость, мг-экв/л 10...15 3...4
Рабочее давление — 12105 Па 8042 , мг/л Щелочность, мг-экв/л 100...200 3...5 20...30 1...2
Отбор фильтрата — 50 % Цветность, град Мутность, мг/л Железо общее, мг/л Сухой остаток, г/л 30 15 до 2 ДоЗ 0 0 <0,3 до 0,5
Примечание: установка находится в городе Азнакаево.
Таблица 6
Нанофильтрационная установка по получению чистой воды
на хлебокомбинате
Характеристика установки Данные анализа воды Исходная вода Очищенная вода
Производительность - 2 м3/ч Общая жесткость, мг-экв/л 2...5 0,5...1
Рабочее давление до 15-105 Па 8042~, мг/л Щелочность, мг-экв/л 20...30 3...4 10...15 1...2
Отбор фильтрата - 70 % Цветность, град Мутность, мг/л Железо общее, мг/л С1~, мг/л до 40 до 20 до 0,5 до 25 0 0 0 10...15
Примечание: установка находится в городе Владимире.
Таблица 7
Технико-экономические показатели мембранных установок для получения физиологически полноценной питьевой воды
Производительность, м3/ч Занимаемая площадь, м2 Стоимость, р.
0,5 7 540 000
1,0 8 620 000
2,0 10 810 000
5,0 12 1070 000
10,0 15 1340 000
Полученные данные свидетельствуют о том, что благодаря применению нанофильтрационной установки во всех указанных случаях получается питьевая вода высокого качества. В табл. 7 приведена ориентировочная стоимость мембранных установок в зависимости от их производительности.
Выводы Освоение опытно-промышленного производства мембран, фильтрующих элементов, серийный выпуск очистного оборудования позволит российским предприятиям успешно конкурировать с зарубежными производителями в сфере обеспечения населения, в том
числе сельского, питьевой водой требуемого качества.
Материал поступил в редакцию 25.03.10. Дзюбенко Вячеслав Геннадьевич, кандидат химических наук, заведующий лабораторией технологии получения микрофильтрационных и газоразделительных мембран Тел. 8 (4922) 47-52-67
Дубяга Владимир Павлович, кандидат химических наук, главный химик по проблеме мембран, директор ЗАО НТЦ «Владипор» Тел. 8 (4922) 47-52-67
Бирюков Алексей Леонидович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Защита в чрезвычайных ситуациях» Тел. 8 (499) 976-49-31
