Сравнительные технико-экономические показатели методов на стадии предварительной очистки природных вод

 

Показатель	Очистка
электрокоагуляция	ультрафильтрация
Степень очистки от орг. веществ, %	50-60	40-70
Степень очистки от коллоидов железа, %	30-40	70-90
Обескремнивание, %	20-30	20-30
Степень задержания микрочастиц размером > 0,5 мкм, %	-	99,9
Расход электроэнергии, кВт/м^3	0,6	1,1
Расход железа, г/м^3	30	0
Удельная производительность, м^2/(м^3.ч)	2	0,7
Металлоемкость, кг/м^3	0,8	0,2

Обратный осмос

По принципу работы мембранные системы являются обратноосмотическими. Явление осмоса (выравнивание концентраций растворов, разделенных полупроницаемой мембраной) лежит в основе обмена веществ всех живых организмов. Лишь в конце 50-х – начале 60-х годов с началом широкого производства синтетических полимерных материалов появились первые научные работы, которые легли с основу промышленного применения обратного осмоса. Первые промышленные обратно осмотические системы появились только в начале 70-х годов, поэтому это сравнительно молодая технология по сравнению с тем же ионным обменом или адсорбцией на активированных углях. Тем не менее, в Западных странах обратный осмос стал одним из самых экономичных, универсальных и надежных методов очистки воды, который позволяет снизить концентрацию находящихся в воде компонентов на 96-99% и практически на 100% избавиться от микроорганизмов и вирусов.

Фильтр, работающий по принципу обратного осмоса, устроен достаточно просто: основной элемент, позволяющий получать воду высокой степени очистки – это тонкопленочная мембрана. Если объяснять совсем упрощенно, то она представляет собой некое подобие сетки, размер ячеек которой сравним с размером молекулы воды. Разумеется, сквозь такую «сетку» могут пройти либо сами молекулы воды, либо вещества, размер молекул которых еще меньше – растворенный в воде кислород, водород и т.п. В результате чего из воды удаляются практически все растворенные компоненты, а также соли тяжелых металлов, органические примеси и бактерии. Ну а все остальные конструктивные элементы обратноосмотической системы призваны только обеспечивать благоприятные условия для работы такой мембраны.

Как быстро должны забиться грязью такие маленькие поры мембраны, если на нее будет поступать обычная водопроводная вода! Для того чтоб этого не случилось, перед мембраной устанавливаются префильтры – несколько ступеней предварительной очистки. Среди них обязательно присутствует ступень очистки от механических загрязнений, задерживающая взвеси, песок и нерастворимые примеси с размером частиц более 5мкм. Еще одна ступень обеспечивает химическую очистку от хлора, хлорсодержащих соединений, пестицидов, органики и т.п. с помощью сорбции на активированном угле. В зависимости от качества исходной воды количество ступеней в префильтре может быть увеличено

В процессе работы постепенно перед мембраной накапливаются отфильтрованные соли и различные примеси, из-за чего она может засориться и перестать работать. Для постоянного слива этих «отходов» вдоль мембраны создается принудительный поток воды, смывающий сконцентрированные загрязнения в дренаж. Тем самым увеличивается производительность и срок службы мембраны.

Для достижения нормальной производительности мембраны, на нее должна поступать вода под давлением 3,5–4 атмосферы. Такое давление – обычное дело для большинства муниципальных водопроводов в крупных городах. При давлении воды менее 2–2,5 атмосфер (в том числе и при заборе воды из емкости без давления) необходим насос повышения давления.

Если очищенная вода потребляется неравномерно, и периодически ее расход может возрастать, то система очистки обычно дополняется емкостью для хранения чистой воды. Иногда применяется более дорогой способ - системы оснащаются существенно более мощным насосом и более производительной мембраной.

Фильтрующая способность системы Обратного Осмоса является поистине уникальной. Ни один из фильтров, работающих по другому принципу – механической очистки, адсорбции или ионного обмена – не может обеспечить подобной степени очистки. Очень важно понимать то, что даже лучшие из “простых” бытовых фильтров не удаляют или далеко не полностью удаляют из воды пестициды, бактерии, тригалометаны и другие канцерогенные

хлорорганические соединения, а также тяжелые металлы и радионуклиды.

Для обеспечения нормальной эксплуатации обратноосмотических установок необходимо, чтобы вода, подаваемая на мембраны, соответствовала определенным нормам, а именно:

Подаваемая на мембраны вода должна содержать:

• Менее 0,56 мг/л взвешенных веществ;

• Менее 2-3 мгО2/л коллоидных загрязнений;

• Свободного хлора менее 0,1 мг/л для композитных полиакриламидных мембран и менее 0,6-1,0 мг/л для ацетатцеллюлозных;

• Малорастворимые соли (железа, кальция, магния, стронция) в концентрациях, не вызывающих их отложение на мембранах;

• Микробиологические загрязнения должны отсутствовать;

• Температура подаваемой воды не должна превышать 35-45^oС;

• рН исходной воды должен находиться в пределах 3,5-7,2 для ацетатцеллюлозных мембран и 2,5-11,0 для полиакриламидных.

Для обеспечения указанных требований необходимо обеспечить предочистку воды перед ее подачей на мембранную установку. Она включает в себя узлы: механической фильтрации-обезжелезивания, дехлорирования, умягчения и дозирования ингибитора, обеззараживание ультрафиолетом.

Важным аспектом при расчете мембранных установок является учет температуры питающей воды. Все показатели мембран даются для температуры 25?С. В реальных условиях температура, как правило, существенно ниже.

Так, если например мембрана при температуре 25?С дает 500 л/час, то при 10?С производительность составляет 330 л/час, а при 5?С 250 л/час.

Соответственно, при расчете установки необходимо устанавливать такое количество элементов, которое обеспечит заданную производительность при снижении температуры, причем это количество может потребоваться в 2 раза больше, чем при стандартной температуре. Это существенно повышает стоимость установки. В ряде случаев, при наличии дешевого тепла, выгоднее производить предварительный подогрев питающей воды.

В таблице приведено оценочное сравнение методов обессоливания по трем уровням: минимальный (Мин.), максимальный (Макс.) и средний (Ср.).

Параметр	Ионный обмен	Обратный осмос	Электро-диализ	Выпарка
Надежность	Макс.	Ср.	Мин.	Макс.
Степень обессоливания	Макс.	Ср.	Мин.	Ср.
Удаление органики	Мин.	Макс.	Мин.	Ср.
Удаление микрофлоры	Мин.	Макс.	Ср.	Макс.
Удаление взвесей	Мин.	Макс.	Мин.	Макс.
Удаление растворенных газов	Мин.	Мин.	Мин.	Макс.
Требования к предподготовке	Мин.	Макс.	Макс.	Ср.
Энергозатраты	Мин.	Макс.	Макс.	Макс.
Расход реагентов	Макс.	Мин.	Мин.	Мин.
Расход питающей воды	Мин.	Макс.	Макс.	Мин.
Объем отходов	Мин.	Макс.	Ср.	Мин.
Возможность переработки отходов	Макс.	Мин.	Мин.	Макс.
Возможность сброса отходов	Мин.	Макс.	Ср.	Мин.

Диализ и электродиализ

Некоторые молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем используют для очистки золей от электролитов и молекулярных примесей, которыми полученные золи часто бывают загрязнены. Наиболее распространенными методами очистки коллоидных систем являются диализ, и электродиализ, основанные на свойстве некоторых материалов – т.н. полупроницаемых мембран (коллодия, пергамента, целлофана и т.п.) – пропускать ионы и молекулы небольших размеров и задерживать коллоидные частицы. Все полупроницаемые мембраны представляют собой пористые тела, и непроницаемость их для коллоидных частиц обусловлена тем, что коэффициент диффузии для коллоидных частиц значительно (на несколько порядков) меньше, чем для ионов и молекул, имеющих намного меньшие массу и размеры.

Прибор для очистки золей методом диализа называется диализатором; простейший диализатор представляет собой сосуд, нижнее отверстие которого затянуто полупроницаемой мембраной (рис.1). Золь наливают в сосуд и помещают последний в ёмкость с дистиллированной водой (обычно проточной); ионы и молекулы примесей диффундируют через мембрану в растворитель.  

Рис. 1  Схема диализатора	Рис. 2  Схема электродиализатора

Диализ является очень медленным процессом; для более быстрой и полной очистки золей применяют электродиализ. Электродиализатор состоит из трех частей; в среднюю часть, отделенную от двух других полупроницаемыми мембранами, за которыми помещены электроды, наливается золь (рис.2). При подключении к электродам разности потенциалов катионы содержащихся в золе электролитовдиффундируют через мембрану к катоду, анионы – к аноду. Преимущество электродиализа заключается в возможности удаления даже следов электролитов (необходимо помнить, что степень очистки ограничивается устойчивостью коллоидных частиц; удаление из золя ионов-стабилизаторов приведет к коагуляции).

Разделение газов

Промышленное использование технологии мембранного разделения газов началось в 70-х годах и произвело настоящую революцию в индустрии разделения газов. Вплоть до сегодняшних дней эта технология активно развивается и получает все большее распространения благодаря своей высокой экономической эффективности. В западных странах эта технология практически полностью вытеснила альтернативные способы получения газов - криогенный и адсорбционный, когда не требуется очень чистый газ при очень больших объемах потребления. Так, в случае получения азота, мембранные установки оказываются существенно выгоднее при требуемой чистоте до 99.9% при производительности до 5000 нм³/ч.

Устройство современных мембранных газоразделительных и воздухоразделительных установок исключительно надежно. В первую очередь это обеспечивается тем, что в них нет никаких подвижных элементов, поэтому механические поломки почти исключены. Современная газоразделительная мембрана, основной элемент установки, представляет собой уже не плоскую мембрану или пленку, а полое волокно. Половолоконная мембрана состоит из пористого полимерного волокна с нанесенным на его внешнюю поверхность газоразделительным слоем. Суть работы мембранной установки заключается в селективной проницаемости материала мембраны различными компонентами газа.

Пример.

В генераторах азота наиболее эффективны мембранные технологии. Суть мембранной технологии разделения газов воздуха состоит в том что вода, кислород и азот (основные составляющие окружающего воздуха) имеют разную проникающую способность через полимерную мембрану. Таким образом, подавая под давлением воздух в контейнер с мембранной системой на выходе можно получить очищенный от водяных паров азот с концентрацией 95-99,9% и вторичный поток обогащенного (до 40%) кислор одом и водяными парами воздуха. Этот вторичный поток может быть основным, в том случае, когда требуется генератор обогащенного кислородом воздуха, например - т.н. "кислородный коктейль". Для генераторов кислорода с концентрацией на выходе кислорода до 95% мы используем хорошо разработанную технологию короткоцикловой адсорбции, суть которой состоит в селективной адсорбции молекул одного газа и пропускании молекул генерируемого газа в первой фазе цикла. Во второй фазе цикла адсорбент восстанавливается для следующего цикла.