Современная водоподготовка. Современным зданиям – современные технологии водоснабжения! Современные технологии водоподготовки и инновационные методы

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.

Каждый человек, кто работает с водой, знает, что сегодня главная проблема, с которой сталкивается каждый, это повышенная жесткость воды. Из-за нее приходится сталкиваться с огромным количеством проблем, которые решать приходится, здесь и сейчас, не откладывая в долгий ящик. призвана привести к состоянию, разрешенному законом для использования в пищу и питье, или же для использования на производстве со специальными требованиями.

Что не так с жесткой водой, что о ней постоянно приходится заботиться? О накипи, я думаю, знают все. Только вот вряд ли все до конца понимают, в чем ее вред. Но кроме накипи и ее плохой проводимости тепла, есть еще повышенная жесткость воды, которая дает свои последствия еще до того, как образуется накипь.

О том, что вы работаете с жесткой водой, вы узнаете по большому количеству признаков. Впрочем, если вам удобно и просто удалять накипь руками или с помощью средств от накипи, вы можете продолжать, просто вам нужно понимать, чем вы рискуете, выбирая данный путь борьбы с жесткостью воды.

Первое, что подвержено негативному влиянию жесткой воды, это наше здоровье. Соли жесткости откладываются везде. Будут это стенки бытового прибора или будет это желудок или почки, им все равно. Поэтому до того момента, пока вы проведете очистку от накипи, она уже образуется в вашем организме. Хронические заболевания уходят корнями не только в неправильный образ жизни, качество воды здесь также имеет свой вес. какие перспективные технологии водоподготовки мы знаем на сегодняшний день?

Кроме вреда для здоровья, повышенная жесткость воды оставляет свой след и на наших одеждах, и здесь тоже очистка от накипи никак не поможет. Когда мы стираем в жесткой воде, приходится и воды больше использовать, и порошка добавлять в половину больше. Что происходит дальше? Из-за плохой растворимости моющих средств в такой воде, порошок оседает вместе с солями жесткости внутри пор тканей. Чтобы как следует промыть такую ткань, придется полоскать ее намного дольше. Это добавочный расход воды. Мы всего этого не замечаем, т.к. постоянно работаем с такими расходами, и увидеть разницу поможет только применение .

Однако, на сегодня бытует мнение, что любой фильтр для воды достаточно дорог, и его использование в квартире не оправданно. И что проще удалять накипь. Две сферы, которым безразлично такое удаление указаны свыше. Вещи с белыми разводами выглядят мало привлекательно и быстро приходят в негодность. Гораздо раньше, чем, если бы вы использовали технологию водоподготовки и стирали в мягкой воде.

Кроме этого у накипи есть такой большой недостаток, как плохая теплопроводимость. Ведь почему нужно всегда следить за размером накипи на поверхностях? да чтобы не остаться без промышленного оборудования или же без бытовых приборов.

Когда накипь покрывает нагревательные элементы или водогрейные поверхности, передача тепла воде прекращается практически полностью. По началу, известковый налет хоть как то пропускает тепло, но при этом есть еще такой нюанс, как резкий рост расходов топлива или электричества. Нагреть то поверхность становится намного сложнее. Поэтому и уходит, столько топлива, и чем толще слой накипи, тем выше расходы.

Проблема накипи не только в повышенном расходе топлива. Прибор с накипью со временем начнет отключаться, стремясь защитить себя от перегревов. Это все сигналы, на которые нужно реагировать немедленно. Очистка от накипи в таком случае должна проходить мгновенно. Если ее не сделать, то накипь быстро перейдет в стадию известкового камня. Удалять такой покров намного сложнее. Это время. Это деньги. И наконец, это риск потерять прибор. Если упустить момент, то теплу больше некуда будет идти, и оно просто разорвет нагревательный элемент или поверхность. Именно по этой причине нужно знать все технологии водоподготовки на отлично!

В быту это выливается в перегорание бытовых приборов. Иногда с разрывом проводки. В промышленности это проявляется в виде свищей на трубах и взрыве котлов в теплоэнергетике.

Вот вам набор причин, которые призывают задумываться об . С помощью нехитрого набора фильтров для воды вы сможете обезопасить себя и свою семью от вредного влияния повышенной жесткости воды. Выбирая ту или иную технологию водоподготовки, следует помнить, что обойтись на предприятии или в собственном доме, квартире одним умягчителем воды точно не удастся.

Помните, что при очистке воды перед вами всегда будут стоять две задачи. Вам нужна вода питьевая и вода для бытовых нужд. Поэтому минимальная водоподготовка, которая только может быть в квартире будет состоять из очистки воды с помощью, например, электромагнитного умягчителя воды Акващит. Это будет для воды по техническим, бытовым нуждам. И очистка воды с помощью фильтра-кувшина, минимум или обратного осмоса максимум. Это уже для питьевых нужд. Тогда защита от накипи и жесткой воды будет более менее надежной.

Теперь перейдем непосредственно к технологиям водоподготовки. Выбирая ту или иную технологию, нужно знать, какие задачи она должна решать. Как понять, что выбрать? Откуда взять исходные данные для определения типа технологии водоподготовки и последовательности фильтров для воды?

Самое первое, что вы должны сделать, прежде чем будете выбирать перспективную технологию водоподготовки, это провести химический анализ воды. На его основе вы всегда сможете рассчитать и оббьем поступающей в квартиру воды и сможете наглядно увидеть ее состав, все примеси, которые придется удалять. Имея на руках эти результаты, вам будет проще понять какую технологию водоподготовки лучше использовать, какую последовательность фильтров выбрать и какой мощности должен быть тот или иной прибор.

Даже если вы берете воду из центральной системы очистки воды, она все равно будет жесткой. И здесь лучше не экономить, и провести таки химический анализ воды. Тогда вы не будете переплачивать за слишком мощный и дорогой умягчитель воды.

Все варианты технологий водоподготовки можно свети к следующему перечню:

• механическая очистка воды;
• химическая очистка воды;
• дезинфекция;
• микроочистка.

Под химической очисткой воды понимают устранение любых органических примесей, нитратов, железа, а также остаточного хлора. Микроочистка – это получение дистиллята или же чистой и полезной питьевой воды.

Рассмотрим более подробно варианты фильтров для воды, которые работают с применением той или иной технологии водоподготовки.

Итак, механическая технология водоподготовки . Ее задача устранить из воды все механические твердые примеси, а также каллоиды. Здесь очистка воды может проходить в несколько этапов. Начинается она с грубой очистки. Вода может даже отстаиваться, чтобы самые большие механические примеси могли осесть. Здесь могут использовать осадочные, гравийные сетчатые .

Сетчатые фильтры включают в себя несколько сеток с разной пропускной способностью. Они используются для фильтрации, как более крупных, так и мелких твердых примесей. Основной материал для производства сеток - нержавеющая сталь. Ставят такие фильтры при первичном заборе воды самыми первыми.

Осадочные фильтры призваны удалить очень мелкие частицы, невидимые невооруженному взгляду. Здесь фильтрующая основа – кварцевый песок, а также гравий. Иногда могут использовать гидроантрацит. Такие фильтры больше применяют для повторной очистки воды. Так очищают стоки, или готовят техническую воду на производстве.

Фильтры с картриджами, это что-то среднее между механической фильтрацией и умягчением воды. Суть только в том, что такие фильтры устраняют очень мелкие примеси размером 150-1 микрон. Такие фильтры устанавливают для предварительной очистки в том же обратном осмосе.

Химическая очистка воды, это скорее интересная и перспективная технология водоподготовки, предназначенная для корректировки химического состава воды, а не изменения его состояния. Это с помощью ионного обмена, а также обезжелезивание. На данном же этапе водоподготовки устраняют из воды остаточный хлор.

Для обезжелезивания могут использовать марганцевый цеолит. Это песок зеленого цвета, который отлично контактирует с железистыми соединениями, качественно отфильтровывая их из воды. Для того, чтобы реакция удержания железа в фильтра проходила еще лучше, неплохо было бы, если бы в воде были небольшие включения кремния.

Другой вариант технологии водоподготовки – это использование окисления железа для очистки воды от его примесей. Это безреагентный процесс и для этого применяют специальные фильтры, где воду обдувают кислородом и под этим влиянием железо оседает на внутреннем картридже.

В качестве умягчения воды используют ионообменные фильтры для воды. Это одна из самых распространенных технологий водоподготовки, что в быту, что на производстве. Основу такого фильтра составляет смоляной картридж. Он перенасыщен слабым натрием, который в структуре вещества легко заменить. Когда происходит контакт с жесткой водой, соли жесткости легко сменяют слабый натрий. Так и происходят непосредственно . Постепенно картридж полностью отдает свой натрий и забивается солями жесткости.

В промышленности такие установки одни из самых популярных, но и самых громоздких. Это огромные баки в высоту. Но зато скорость очистки воды у них самая высокая. При этом забитые картриджи в промышленности восстанавливают, в быту меняют. Ионообменный фильтр является реагентным умягчителем, поэтому для производства питьевой воды нельзя было его использовать, до тех пор, пока не придумали сделать картридж сменным.

Восстанавливают такой картридж с помощью сильно соляного раствора. В быту картридж меняют. Из-за этого стоимость использования подобной технологии водоподготовки увеличивается. Хотя сама установка стоит недорого, но постоянная смена картриджей, это постоянные расходы. Тем более, что еще и менять придется довольно часто. В промышленности расходы пойдут и на соли. Она хоть и дешевая, но большие обьемы стоят дорого. Плюс закупаться ею придется постоянно. Да и еще одна проблема подобного ионообменного аппарата в промышленности - после восстановления образуются очень вредные отходы. Сбрасывать в атмосферу такие, категорически нельзя. Только с получения разрешения и после доочистки. Это опять же расходы. Но в сравнении со стоимостью того же обратного осмоса, данные расходы в промышленности считаются незначительными.

Новые и современные технологии водоподготовки

Для быта же, кто жаждет сэкономить на новых и современных технологиях водоподготовки, могут покупать такой фильтр-кувшин. Правда, установка обратного осмоса окупиться быстрее, чем такой фильтр с постоянными расходами.

Для того, чтобы устранить из воды мутность и остаточный хлор в качестве фильтрующей среды используют активированный уголь, который является основой сорбционного фильтра.

Для дезинфекции могут использовать озонаторы или ультрафиолетовые фильтры для воды. Здесь главной задачей новых и современных технологий водоподготовки является устранение любых бактерий и вирусов. Озонаторы больше всего используют в бассейнах, т.к. они достаточно дороги, но при этом экологически чистые. Ультрафиолетовые фильтры являются безреагентными установками и облучают воду с помощью ультрафиолетовой лампы, которая убивает любые бактерии.

Еще одной популярной сегодня чрезвычайно технологией, является электромагнитное умягчение воды. Классический ее пример . Чаще всего подобную новую и современную технологию водоподготовки массово используют в теплоэнергетике. Также популярна установка и в быту. Основой здесь являются постоянные магниты и электрический процессор. Он, используя силу магнитов, генерирует электромагнитные волны, которые влияют на воду. Под таким влиянием соли жесткости видоизменяются.

Обретя новую форму, они не имеют возможности прилипнуть к поверхностям. Тонкая игольчатая поверхность дает возможность только тереться о старую накипь. Здесь происходит второй положительный эффект. Новые соли жесткости устраняют старые. Причем делают это качественно. Когда вы поставите себе электромагнитный умягчитель воды Акващит, вы через месяц, можете смело раскрутить свой бойлер и посмотреть как сработал такой . Уверяю вас, результаты вас порадуют. При этом прибор не нужно обслуживать. Легко поставить, легко снять, работает сам, никаких замен фильтров и промывок. Только ставить нужно на чистый отрезок трубы. Это единственное требование.

И наконец, новая и современная технология водоподготовки , предназначенная для получения дистиллята и питьевой воды высокого качества. Это нанофильтрация и обратный осмос. Это все технологии для тонкой очистки воды. Здесь вода очищается на молекулярном уровне через дисперсионную мембрану с огромным количеством отверстий размером не больше молекулы воды. В такую установку нельзя поставлять неподготовленную воду. Только после предварительной очистки, вода может очищаться обратным осмосом. Из-за этого любая установка нанофильтрации или осмоса будет стоить дорого. Да и материалы для тонкой мембраны, достаточно дорогие. Но качество очистки воды здесь самое высокое.

Таким образом, мы разобрали все самые популярные и используемые новые и современные технологии водоподготовки. Теперь вы будете понимать, что и как работает. С такими знаниями, составить правильную систему очистки воды не составит труда.

1

Настоящая статья посвящена обзору современных технологий очистки природных вод от антропогенных загрязнений, базирующихся на методах сорбции и биологического окисления. В статье рассмотрены основные пути попадания загрязнений в поверхностные водоисточники, представлены данные по составу вод в реках промышленно развитых регионов России. Существующие на действующих очистных сооружениях технологии не снижают концентрации антропогенных загрязнений в природных водах, что приводит к необходимости применения сорбционных методов очистки воды. Применение сорбционных методов очистки ограничено сорбционной емкостью сорбентов, по исчерпании которой необходима регенерация или замена сорбционного материала. Совмещение в биосорберах процессов сорбции и биологического окисления задержанных загрязнений позволяет поддерживать сорбционную емкость сорбентов на постоянном уровне. Дальнейшее развитие биосорбционной технологии связано с процессами мембранного разделения, позволяющими исключить вынос из биореактора частиц сорбента с закрепленной на них биомассой, что увеличивает эффект очистки и снижает ее стоимость.

биосорбционно-мембранная технология

очистка природных вод

питьевая вода

порошкообразный активированный уголь

хлорорганические соединения

1. Алексеева Л.П. Снижение концентрации хлорорганических соединений, образующихся в процессе подготовки питьевой воды // Водоснабжение и санитарная техника. – 2009. – № 9. – C. 27–34.

2. Андрианов А., Первов А. Методика определения параметров эксплуатации ультрафильтрационных систем очистки природных вод // Водоочистка. – 2005. – № 7. – C. 22–35.

3. Герасимов Г.Н. Мембранный биологический реактор BRM (опыт обработки промышленных и городских сточных вод) // Водоснабжение и санитарная техника. – 2004. – №4, часть 1.

4. Драгинский В.Л., Алексеева Л.П., Гетманцев С.В. Коагуляция в технологии очистки природных вод. – М., 2005. – 576 с.

5. Журба М.Г., Мякишев В.А. Очистка поверхностных вод, подвергшихся антропогенному воздействию // Водоснабжение и санитарная техника. – 1992. – № 8. – C. 2–6.

6. Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: издание второе, переработанное и дополненное: учебное пособие. – М.: Изд-во АСВ, 2004. с. 496.

7. Линевич С.Н., Гетманцев С.В. Коагуляционный метод водообработки: теоретические основы и практическое использование. – М.: Наука, 2007. – С. 230.

8. Смолин С.К., Клименко Н.А., Невинная Л.В. Биорегенерация активных углей после адсорбции ПАВ в динамических условиях // Химия и технология воды. – 2001. – Т. 23, № 4.

9. Смирнова И.И. Исследование процесса очистки природных вод биосорбционно-мембранным методом: дис. ... канд. тех. наук: 05.23.04. – М., 2009. – 113 с.

10. Швецов В.Н. Очистка природных вод биосорбционно-мембранным методом / В.Н. Швецов и др. // Водоснабжение и сан. техника. – 2007. – № 11. – С. 24–28.

11. Швецов В.Н. Развитие биомембранных технологий очистки природных вод / В.Н. Швецов, К.М. Морозова, И.И. Смирнова // Водоснабжение и сан. техника. – 2009. – № 9. – С. 64–70.

12. Introduction to membranes – MBRs: Manufacturers` comparison: part 2. – supplier review // Filtration+Separation Elsevier Ltd., March 2008. – Р. 28–31.

13. Introduction to membranes – MBRs: Manufacturers` comparison: part 1 // Filtration+Separation Elsevier Ltd., April 2008. – Р. 30–32.

14. Kang I.-J., Lee Ch.-H., Kim K.-J. Characteristics of microfiltration membranes in a membrane coupled sequencing batch reactor system // Water Research 37. – 2003. – Р. 1192–1197.

15. Lebeau T., Lelievre C. и др. Immersed membrane filtration for the production of drinking water-combination with PAC for NOM and SOCs removal // Desalimation. – 1998. – № 17 – Р. 219–231.

16. Clever M., Jordt F., Knauf R., Rabiger N., Rudebusch M., Hilker-Scheibel R. Process water production from river water by ultrafiltration and reverse osmosis // Desalination. – 2000. – № 131. – Р. 325–336.

17. Sawada Shigeki Устройство для получения сверхчистой воды, пат. JP 3387311 B2, МПК C02F 1/44, с приоритетом от 22.04.1996, опубл. 17.03.2005.

18. Soe G.T., Ohgaki S., Suzuki Y. Biological powdered activated carbon (BPAC)- microfiltration (MF) for wastewater reclamation and reuse. Murdoch Univ.Perth, Australia: The Proc. of International Specialist Conference on “Desalination and Water reuse”. – 1994. – Р. 70–79.

19. Soe G.T., Ohgaki S., Suzuki Y. Sorption characteristics of biological powdered activated carbon in BPAC-MF (Biological Powdered Activated Carbon – Microfiltration) system for refractory Organic Removal // Wat. Sci. Tech. – 1997. – № 35(7) – Р. 163–170.

20. Stephenson Т., Judd S., Jefferson B., Brindle K. Membrane Bioreactors for Wastewater Treatment. IWA Publishing. – London: U.K., 2000.

21. Thiruvenkatachari R., Shim W.G., Lee J.W., Moon H. Effect of powdered activated carbon type on the performance of an adsorption-microfiltratin submerged hollow fiber membrane hybrid system // Korean J. Chem. Eng. – 2004. – № 21 (5). – Р. 1044–1052.

22. Visvanathan C., Ben Aim R., Parameshwaran K. Membrane separation bioreactors for wastewater treatment // Crit. Rev. Environ. Sci Technol. – 2000. – № 30(1). – Р. 1–48.

В России для организации водоснабжения преимущественно используются поверхностные водоисточники, на долю которых приходится до 70 % от общего водозабора.

Основными источниками поступления загрязняющих веществ в поверхностные воды являются: бытовые, промышленные и сельскохозяйственные сточные воды. Их воздействие выражается в повышении концентраций в поверхностных водах биогенных элементов, органических соединений, поверхностно-активных веществ (СПАВ), нефтепродуктов, фенолов и др.

Загрязнение природных водоемов различного рода примесями происходит и при контакте их с окружающей атмосферой. Так, многочисленные газообразные выбросы промышленных производств, содержащие азот, оксид углерода, диоксид серы и мельчайшие частицы производственных отходов, вместе с вентиляционными выбросами попадают в атмосферный воздух, после контакта с которым происходит загрязнение поверхностных водоисточников, вода которых насыщается дополнительными дисперсными, коллоидными и молекулярно-растворенными примесями антропогенного происхождения.

В таблице представлены данные по некоторым водоисточникам, имеющим повышенные концентрации загрязняющих веществ природного и антропогенного характера. Приведенные данные позволяют дать предварительную оценку воздействия антропогенных факторов на природные водоисточники .

Показатели	Мутность, мг/л		Цветность, град		Нефтепродукты, мг/л	Фенолы, мг/л	СПАВ, мг/л
Волга (Балахна)
Ока (Тула)
Клязьма (Владимир)
Которосль (Ярославль)
Дон (Таганрог)
Томь (Кемерово)
СанПин 2.1.4.1074-01

Примечание. * норматив ПДК для водоема рыбохозяйственного назначения.

В России технологии подготовки питьевой воды основаны на классических методах коагуляции, отстаивании, фильтрации и сорбции. Обеззараживание воды осуществляется с применением гипохлорита натрия и газообразного хлора. Из-за постоянно возрастающей степени загрязнения водоисточников традиционно применяемые технологии обработки воды стали в большинстве случаев недостаточно эффективными .

Очистка воды коагулированием и флокулированием загрязнений представляет собой сложный физико-химический процесс, на эффективность протекания которого оказывают влияние многочисленные факторы (взвешенные вещества, ионный состав, щелочность, количество растворенных органических соединений, температура и др.). В паводковый период холодная вода, высокие цветность и мутность, низкая щелочность требуют высоких доз коагулянта или применения флокулянтов для интенсификации процессов осаждения загрязнений. Ухудшение процесса коагуляции также наблюдается при коагулировании маломутных цветных вод в холодное время года.

Вместе с тем классические технологии водоочистки практически не удаляют из воды химические загрязнения, находящиеся в растворенном виде, такие как фенолы, СПАВ, растворенные фракции нефти, ионы тяжелых металлов и др. Вследствие чего действующие очистные сооружения не могут обеспечить надлежащей барьерной функции.

Традиционные технологии очистки воды недостаточно эффективны в отношении ряда антропогенных загрязнений. Так, например, при исходной концентрации нефтепродуктов 1-5 мг/л эффект очистки составляет 20-40 %; анионактивные ПАВ удаляются на 25-50 % при содержании их в исходной воде 1,5-2,5 мг/л; фенолы на традиционных сооружениях при начальной концентрации 0,05-0,2 мг/л практически не удаляются, эффект очистки редко превышает 5 % .

Во многих случаях на традиционных очистных сооружениях в процессе первичного хлорирования воды образуются хлорорганические соединения. Обусловлено это возрастанием антропогенных нагрузок на источники водоснабжения, а также изменением технологических режимов водоочистки, в частности применением повышенных доз хлора и коагулянта и увеличением времени контакта хлора с водой. Наиболее часто в хлорированной воде обнаруживаются в концентрациях, превышающих ПДК, четыреххлористый углерод, хлороформ и бромоформы, обладающие канцерогенностью и мутагенностью. Обеспечить их нормативные концентрации после всего цикла водообработки на традиционных сооружениях не всегда удается .

Повышение качества очищенной воды на водопроводных очистных сооружениях в настоящий момент осуществляется путем применения дополнительных методов доочистки воды: озонирования, сорбции, ионного обмена, обратного осмоса и др. Как правило, все эти методы требуют значительных капиталовложений на оборудование, электроэнергию, транспортные перевозки и реагенты.

Одним из распространенных в практике повышения качества водоочистки адсорбентом является активированный уголь.

Пористые сорбенты на основе активированных углей широко применяются в промышленности и являются эффективными поглотителями паров, газов, растворенных веществ, а также катализаторами или носителями катализаторов. Благодаря своим свойствам они обеспечивают эффективную сорбцию макромолекул (в т.ч. углеводородов, красителей, белков, жиров и др.).

Активированные угли используются на конечной стадии водоподготовки для удаления различного рода хлорорганических соединений как содержащихся в исходной воде, так и образующихся в ней в больших количествах на предыдущих стадиях водоподготовки. Помимо этого, АУ поглощают из воды фенолы, пестициды, нефтепродукты, соединения тяжелых металлов и вещества, обуславливающие неприятные привкусы и запахи воды, тем самым повышая барьерную функцию водоочистных станций.

В технологии водоподготовки активированный уголь применяется в виде порошка (ПАУ) при углевании воды, дробленых или недробленых гранул (ГАУ) при фильтровании через угольные фильтры. Основными преимуществами ПАУ является хорошая кинетика сорбции, а значительная площадь внешней поверхности ПАУ обуславливает эффективную сорбцию макромолекул.

Выбор марки адсорбционного материала заключается в подборе параметров его пористой структуры в зависимости от размеров молекул адсорбируемых веществ. Так, для сорбции фенола, вещества с низкой молекулярной массой, имеющего размер молекул τ ≈ 0,63 нм, подходят такие активированные угли, как АГ-3 и МАУ-100, имеющие требуемую структуру пор. Нефтепродукты и СПАВ имеют более крупные размеры молекул τ ≥ 1,8 нм, при таких размерах молекулы может быть использован мезопористый сорбент СГН - 30.

Несмотря на то, что применение ПАУ повышает степень очистки природных вод, некоторые трудноокисляемые органические вещества не поддаются адсорбции на активном угле. В процессе адсорбционной очистки воды способность активных углей извлекать органические вещества снижается, а регенерация отработанного угля требует существенных эксплуатационных затрат, которые связаны с материало- и энергоемкостью технологии .

Одним из эффективных способов удаления антропогенных загрязнений из природных вод являются биологичекие методы очистки, в основу которых положены процессы аналогичные деструкции и превращению органических веществ в природных водотоках и водоемах.

Сущность биологической очистки заключается в минерализации органических загрязнений обрабатываемых вод, находящихся в виде тонко диспергированных нерастворенных и коллоидальных веществ, а также в растворенном состоянии при помощи аэробных биохимических процессов. В зависимости от условий, в которых происходит очистка воды, биологические методы разделяют на биологическую очистку в условиях близких к естественным и в искусственно созданных условиях.

Для биологической очистки воды в искусственных условиях в практике водоподготовки, в последнее время в основном применяют технологии, основанные на использовании естественного биоценоза и искусственных носителей прикрепленной микрофлоры с высокоразвитой удельной поверхностью. В качестве материалов-носителей могут применяться синтетические волокна, различные зернистые и гранулированные материалы, такие как песок, керамзит, стекло, пластмассы, цеолиты и активированные угли.

Использование иммобилизованных (прикрепленных) микроорганизмов позволяет применять биотехнологии для очистки природных вод не только от традиционных загрязнений, но и от широкого спектра токсичных трудноокисляемых веществ.

Данная технология реализуется главным образом в таких сооружениях, как биофильтры, угольные адсорберы с биологической активностью, реакторы с кипящим слоем и биосорберы.

Дальнейшим развитием сорбционных и биологических методов удаления загрязнений является технология биосорбции, которая начала развиваться с 70-х годов прошлого столетия. Процесс биосорбции включает биологическую деградацию органических загрязняющих веществ в дополнение к адсорбции их на активном угле. Это приводит к более длительному периоду работы угля (вплоть до восстановления сорбционной емкости) и, следовательно, к снижению стоимости очистки.

Увеличение сорбционной емкости угля объясняется его биологической регенерацией, т.е восстановлением адсорбционной способности за счет биоокисления органических соединений, адсорбированных на активном угле. Биологическое удаление адсорбата на поверхности угля позволяет повторно открыть адсорбционные центры, которые могут быть заняты другими органическими молекулами из раствора.

К середине 90-х гг. прошлого века в зарубежных изданиях появляется информация о совместном использовании биоактивного порошкообразного угля и микрофильтрации, которое показало высокую эффективность при удалении биологически стойких органических вещества из сточной воды .

К тому же периоду относятся работы сотрудников НИИ ВОДГЕО по оценке технологической эффективности биосорбционного метода удаления из воды р. Москва природных загрязнений и веществ антропогенного характера в моменты резкого увеличения концентрации загрязнений в паводковый период или при аварийных ситуациях.

Длительная эксплуатация биосорбционных установок с псевдоожиженным слоем гранулированного биологически активного угля параллельно с технологической схемой, включающей предварительное хлорирование, коагуляцию, отстаивание и фильтрование последовательно на песчаном фильтре и фильтре с активированным углем показала, что эффективность биосорберов сравнима с эффективностью работы всей схемы. В отношении загрязнений природного происхождения биосорбционные установки обеспечили получение воды того же качества, что и при использовании традиционной схемы водоподготовки с доочисткой на сорбционных фильтрах. При этом цветность снижалась с 20-25 до 11-15 град., мутность в среднем с 10 до 4 мг/л, окисляемость с 6-8 до 3,5-4,0, азот аммонийный с 0,3 до 0,03, коли-индекс на 70-75 %. Биосорберы оказались весьма эффективны в качестве «барьерных сооружений» для снижения концентраций различных веществ антропогенного характера. При этом они хорошо зарекомендовали себя как в условиях долговременного воздействия загрязнений, так и в условиях пиковых нагрузок, имитирующих возможные аварийные ситуации.

При искусственном введении характерных ингредиентов антропогенного происхождения в исходную воду (нафтален, бифенил, нефтепродукты, линдан, симазин, карбофос, фенол, 2-4-дихлорфенол, бензапирен) с концентрациями до 100 ПДК для каждого из загрязнений биосорберы обеспечили практически полное их удаление. Наблюдения подтвердили, что в биосорберах одновременно протекают три процесса - адсорбция загрязнений, их модификация в микропористой структуре сорбента в биоразлагаемую форму и биологическое окисление. Наличие дополнительной адсорбционной емкости активированного угля позволяет извлекать и аккумулировать в относительно короткие промежутки времени значительно большее количество загрязнений, чем может быть окислено биологическим путем. Эти загрязнения извлекаются сорбентом, а затем постепенно окисляются бактериями и их ферментами в микропористой структуре сорбента.

В последние годы все большее внимание уделяется вопросу применения мембранного фильтрования для очистки природных вод. Мембранная технология широко используется в зарубежной практике. В течение последних двадцати лет большое внимание исследователей уделялось разработке мембранных биореакторов для очистки сточных вод на базе ультра- и микрофильтрации как альтернативной технологии для улучшения и усовершенствования традиционных систем обработки природных и сточных вод с активным илом .

M. Clever, N. Rabiger, M. Rudebusch провели длительные исследования по изучению процесса очистки природных вод, основанной на мембранном фильтровании. Эксперимент проводился в промышленном масштабе на природной воде р. Мейн, с использованием ультрафильтрационных мембран и специально разработанной методикой эксплуатации. В исследовании авторов отмечалось, что ультрафильтрация является альтернативой обычным процессам обработки природных вод, таким как озонирование, коагуляция, флокуляция, хлорирование и т.д. .

В исследовании А. Андрианова, А. Первова теоретически обоснован и разработан процесс очистки природных вод методом ультрафильтрации. Предложена методика определения параметров эксплуатации систем ультрафильтрации. Разработана экспериментальная экспресс-методика, позволяющая в течение короткого времени определить оптимальные режимы (частота и продолжительность промывки) и дать прогноз работы ультрафильтрационной установки очистки воды. Предложенные рекомендации легли в основу разработки систем ультрафильтрации, используемых НИИ ВОДГЕО для обезжелезивания подземных вод, очистки поверхностных вод и улучшения качества водопроводной воды на объектах водоснабжения .

Использование мембран в мембранном биореакторе позволяет задерживать практически всю биомассу, в связи с этим происходит накопление видов бактерий с большим периодом генерации, способных деструктировать устойчивые загрязнители.

В процессе эксплуатации в порах мембраны откладываются соли, а на поверхности образуются биообрастания, препятствующие фильтрованию воды. Регенерацию можно осуществлять дозированием химических реагентов, растворяющих отложения, в биореактор или же извлечением мембранных модулей с последующим погружением в емкости, наполненные регенерационными растворами. Снятие с поверхности мембран накапливающихся загрязнений может осуществляться крупнопузырчатой аэрацией мембранного модуля.

Следует отметить, что мембранная фильтрация не может обеспечить удаления молекул, меньших по размеру, чем размер пор в мембране, а уменьшение размера пор неизбежно ведет к возрастанию трансмембранного давления и, как следствие, к увеличению энергозатрат на эксплуатацию мембранных установок.

Совмещение мембранной фильтрации и адсорбции на порошкообразном активном угле является дальнейшим развитием мембранной и биосорбционных технологий очистки воды и способно обеспечить удаление большего количества загрязняющих веществ из природных вод. Биосорбционную технологию на ПАУ при этом возможно реализовать с использованием ультрафильтрационных и микрофильтрационных мембранных элементов, характеризующихся невысоким трансмембранным давлением.

В литературе неоднократно отмечались преимущества и перспективность комбинированных методов очистки для кондиционирования природных вод и проводились исследования на водах таких водоисточников, как р. Москва и р. Дон . Согласно эффективность очистки воды р. Москва в биосорбционном мембранном реакторе по мутности составляет 99-100 %, цветности - 50-60 %, перманганатной окисляемости - 30-35 %, нефтепродуктам - 95-98 %.

Однако необходимо отметить, что недостаточная теоретическая изученность ряда вопросов и отсутствие надежных инженерных решений в отечественной практике вызывает необходимость проведения специальных экспериментальных исследований с различными типами сорбентов и мембран.

Приведенные данные позволяют сделать следующие выводы, что наличие в природных водах трудноокисляемых соединений, а также образование в процессе водоочистки хлорорганических соединений ограничивает возможность применения традиционных технологий кондиционирования природных вод, поэтому для удаления из природных вод биогенных элементов и специфических органических загрязнений наиболее перспективной технологией является биосорбционный метод, с последующим мембранным разделением.

Библиографическая ссылка

Федотов Р.В., Щукин С.А., Степаносьянц А.О., Чепкасова Н.И. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД ОТ АНТРОПОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 9-3. – С. 452-456;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36249 (дата обращения: 18.10.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»