Мембранные технологии в системах водоочистки

Бактерии, вирусы, споры бактерий, паразиты, яйца паразитов — всё  отсеивается на мембране ультрафильтрации, как на сите., потому что перечисленные микробиологические агенты по размерам крупнее, чем ячейки мембраны ультрафильтрации. И не проходят через неё просто геометрически, физически. Принцип похож на обычное просеивание муки через сито, где на сите остаются крупные включения (крупнее ячеек сита) — и в случае с ультрафильтрацией это в частности бактерии, вирусы.  

То есть, ультрафильтрация — исключительно физический способ очистки воды, без постоянного  применения химических реагентов.

Далее, если производитель  говорит, что у него микрофильтрационная  мембрана (например, трековая), и она  удаляет вирусы и споры бактерий, то это неправда. Так как отверстия  в микрофильтрационной мембране БОЛЬШЕ, чем споры бактерий и вирусы. Споры бактерий удаляются на ультрафильтрационной мембране. И полностью.

Таким образом, технология ультрафильтрации эффективнее обеззараживает воду, чем  ультрафиолетовое излучение. Кроме  того, для обработки воды с помощью  ультрафильтрации нет необходимости  серьёзно предподготавливать воду. Достаточно 30 микронного предварительного фильтра механической очистки воды.

Большой плюс технологии ультрафильтрации — это комплексная технология. И если химическое обеззараживание  и ультрафиолет отвечают за обеззараживание  и в какой-то мере слипание частиц, то технология ультрафильтрации кроме обеззараживания выполняет функцию осветления воды. То есть, до очистки вода была мутной и с бактериями, а после неё — прозрачная и продезинфецированная.

 

4.1 Две большие группы аппаратов ультрафильтрации.

 

Первая группа — питьевые системы, которые устанавливаются под кухонную мойку. Скорость очистки воды с помощью бытовой системы ультрафильтрации чаще всего составляет 2-3 литров в минуту, но бывает и больше. То есть, вода подготавливается в количестве, нужном для питья и приготовления пищи. Чаще всего питьевые системки на основе ультрафильтрции устроены по типу многоступенчатых систем обратного осмоса. Те же колбы, только вместо мембраны осмоса стоит мембрана ультрафильтрации. И нет накопительного бачка.

То есть, аппарат состоит не из голой ультрафильтрационной мембраны, а ещё и из нескольких ступеней предварительной очистки воды (чаще всего механическая очистка,активированный уголь). То есть, бытовая система ультрафильтрации удаляет не только бактерии-вирусы, но и механические примеси, хлор, хлор-органические соединения. 

Мембраны ультрафильтрации для питьевых систем могут быть керамическими  и органическими. Чаще всего они  организованы по типу полых волокон, внутри которых протекает грязная  вода, а фильтрация проихсодит изнутри наружу. Керамические мембраны более долговечны. Однако, и у тех, и у других существует свой ресурс, после которого их нужно заменить. На показатель ресурса так же необходимо обращать внимание при выборе аппарата.

Вторая группа — системы ультрафильтрации с большой производительностью — от500 литров в час. Эти системы предназначены для очистки воды на целый дом, коттедж, квартиру, ресторан, производство. Промышленные ультрафильтрационные установки могут организовываться как по типу полых волокон, так и в виде спиральной навивки[7].

 

 

 

 

 

5 МЕМБРАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НА ОСНОВЕ НАНОФИЛЬТРАЦИИ.

 

Нанофильтрация – это процесс мембранной фильтрации, в котором приводная сила это разница давления между двумя сторонами мембраны. В процессе нанофильтрации на мембране задерживаются преимущественно органические соединения (с молекулярной массой более 200-300) и соли двух и более валентных металлов, а пропускаются в основном одновалентные соли. Процесс фильтрации проходит под низким давлением – около 3-8 бар[1].

Общепризнанными задачами, стоящими перед человечеством  на сегодняшний день в глобальном масштабе, считаются:

а) обеспечения населения питьевой водой, качество которой соответствует требованиям ВОЗ:

б) сокращения потребления природных вод, за счет переработки и повторного использования образующихся жидких сточных вод

в) минимизации как объема жидких стоков, возникающих в процессе хозяйственной деятельности, так и количества сбрасываемых в окружающую среду солей.

Мембранные технологии на основе нанофильтрации по состоянию на сегодняшний день предлагает наиболее рациональный и экономичный способ решения поставленных задач.

Во-первых, благодаря простоте аппаратурного  оформления и эксплуатации, нанофильтрация позволяет вывести на новый технический уровень уже имеющиеся водоподготовительные мощности, обеспечивая существенное улучшение качества обработанной воды одновременно с модернизацией устаревающей производственной инфраструктуры. 

 

Во-вторых, движущими силами процесса внедрения мембранной технологии нанофильтрации в практику, являются: 

а) ужесточение требований к содержанию в питьевой воде вторичных продуктов дезинфекции, Crypto(паразитирующая бактерия), Giardia(лямблии)  и других вредных микроорганизмов (бактерий и вирусов); 

б) требование обеспечивать высокую степень извлечения вредных компонентов из воды (т.н. «барьерную сепарацию»); 

в) сокращение природных ресурсов чистой воды; 

г) диверсификация свойств нанофильтрационных мембран.  . 

Процессы коагуляции/флокуляции в сочетании с методами гидромеханического разделения (отстаивания и фильтрования) и обеззараживания (хлорирование, озонирование) составляли основу водоподготовки для питьевых целей многие десятилетия. При этом обработка сильными окислителями воды, содержащей остаточные количества веществ органической природы, приводит к образованию канцерогенов (например, тригалометанов), чье присутствие в питьевой воде крайне нежелательно. 

Применение нанофильтрации воды до обеззараживания (или даже вместо него) позволяет снять остроту проблемы, поскольку нанофильтрация является эффективным барьером для большинства природных органических компонентов и микроорганизмов. Тем самым технический уровень существующей водоподготовки выводится на новую ступень развития. 

Рост озабоченности (прежде всего  на Западе) вопросами качества потребляемой питьевой воды инициировал принятие документов, ужесточающих требования к показателям, обеспечиваемым установками  очистки воды. 

К эффективности коагуляции и умягчения, степень разделения при фильтровании в установках очистки воды должна обеспечить:

а)  снижение содержания вирусов в 10 000 раз;

б) снижение содержания лямблий 1 000 раз;

в) полное удаление Legionella  (палочковидная бактерия рода, возбудитель легионеллёза[3]);

г) 100-кратное снижение содержания Cryptosporidum(род простейших, одноклеточных организмов, вызывающих заболевания желудочно-кишечного тракта[3]);

д) удаление общего органического углерода (ТОС) не менее, чем от 15 до 50 %;

е) остаточное содержание тригалометанов (ТИМ) не более 80 мкг/л;

ж) мутность в пределах от 0,3 (95%) до 1,0 ( max ) единиц NTU.

В период 2004- 2005 г .г. запланированы к введению в действие еще более жесткие нормативы: 

а) ТНМ не более 40 мкг/л;

б) более чем 100-кратное удаление Cryptosporidum;

в) по предельно допустимому содержанию радона;

г) по предельно допустимому содержанию мышьяка;

д) по дезинфекции вод подземных источников[2].

Для удобства восприятия представим данные в табличном виде.

Знак «+» означает возможность  технологии водоподготовки обеспечить соответствие показателей предъявляемым  требованиям;

«+?» - только при определенных условиях;

«-» - отсутствие возможности.

 

Требования по:	Действующее	2004 - 2005	NF	UF	MF
ТНМ (остаточное содержание тригалометанов), мкг/л	100	80 - 40	+	-	-
Вирусы *	4	4 - 4	+	+ ?	-
Crypto(паразитирующая бактерия) *	2	2 – 3или4	+	+	+
Giardia(лямблии) *	3	3 - 3	+	+	+
ТОС (удаление общего органического  углерода)		15-50%	+	-	-
NTU (мутность)	0.5/5,0	0,3/1,0	+	+	+
TDS (общее солесодержание)			+

*ед. измерения - Log степени извлечения

 

 

 

 

 

 

6 МЕМБРАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НА ОСНОВЕ ОБРАТНОГО ОСМОСА.

 

Осмос (от греч. — толчок, давление) — процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону бо́льшей концентрации растворённого вещества (меньшей концентрации растворителя)[3].  

Несмотря на отличающееся название,-— законный член этого ряда Его суть — также фильтрация воды сквозь полупроницаемую мембрану под воздействием внешнего давления. Только размер пор в обратноосмотической мембране предельно мал. 

 

6.1 Состав системы обратноосмотической очистки воды.

 

Префильтры.

Первыми поток воды «из-под  крана» принимают на себя префильтры в количестве от одного до пяти. Именно от них зависит срок службы системы в целом. Мембрана довольно уязвима для воздействия ряда химических веществ, в частности хлора. Если подать на неё неочищенную воду, то она быстро придёт в негодность. Кроме того, большое количество примесей быстро забьёт поры мембраны, после чего потребуется принять ряд срочных мер для её «реанимации». В качестве префильтров используются обычные картриджные фильтры, в их числе обязательно должен быть угольный для очистки от хлора — злейшего врага полимерных мембран. Количество и состав префильтров заметно варьируется в зависимости от производителя. Чаще всего их три: первый обеспечивает очистку от примесей размером до 50 мкм, второй очищает воду от хлора, а третий, контрольный, имеет поры размером около 5 мкм. Мембраны для микро- и ультрафильтрования менее чувствительны к качеству воды — на них можно подавать хлорированную воду, и работают они во всем диапазоне рН,

Собственно мембрана.

Мембраны могут быть трубчатыми или плоскими. Самая эффективная  разновидность трубчатых мембран  — тонкие (диаметром от 0,1 до 0,5 мм) полые волокна. В единицу объёма фильтровального аппарата можно  поместить огромное количество таких  волокон, и их суммарная рабочая  поверхность будет во много раз  выше, чем у трубчатых мембран  большего диаметра. Однако из-за того, что движение очищаемой воды вдоль  каждого волокна неупорядоченно, такая мембрана склонна к частому  загрязнению, а очищать её довольно сложно* Поэтому половолоконные фильтры требуют тщательной предварительной водоподготовки.

Плоские мембраны производят в виде разнообразных плёнок —- армированных или нанесённых на подложку. Современные обратноосмотические мембраны, как прав ило, являются многосло иными, причём каждый слой имеет разную химическую природу. Первый — несущий (подложка), второй — собственно фильтрующий и третий — защитный. Если рассматривать способ упаковки плоских мембран, то наиболее распространены рулонные фильтрационные элементы, в которых мембраны накручивают на дренажную трубку в виде рулона. По плотности упаковки рулонные элементы расположены между трубчатыми и половолоконными мембранами, они обладают удобной геометрией и характеризуются крайне малой толщиной рабочего слоя, что в совокупности обеспечивает им наилучшее сочетание высокой удельной производительности и низкой склонности к загрязнению.

Накопительный бак.

Про изводительно сть высокоэффективных (нанофилътрационных и обратноос-мотических) мембран, особенно работающих без дополнительного насоса, невелика. Чтобы фильтром можно было пользоваться с комфортом, не дожидаясь по полчаса, пока наберётся чайник или кастрюля воды, фильтрационные системы снабжают накопительным баком Средний объём бака в бытовых фильтрах 8—10 литров.

Постфильтр.

Этот картриджный фильтр ставят на выходе из накопительного бака, чтобы очистить воду, застоявшуюся в баке, например в период между дневным и вечерним чаепитием Сложно представить, что после прохождения обратноосмотической мембраны в воде остались какие-либо микроорганизмы, однако пить свежеочищенную и не застоявшуюся воду, конечно же, намного приятнее. Чаще всего постфильтр по своей природе опять-таки угольный.

Минерализатор.

Некоторые ученые считают, что употребление внутрь идеально очищенной  воды может быть не очень полезным и приятным. Чистая вода чаще всего  абсолютно безвкусна, и это нравится не всем. Да и минеральные вещества в разумных количествах тоже важны  для жизнедеятельности людей. Противники этого подхода заявляют, что, например, в молоке того же кальция больше, чем в водопроводной воде, однако пить его намного полезнее, так  как помимо количества растворённого  минерала очень важна также и  форма его присутствия в растворе. Будет конкретный ион входить  в состав элементоорганического  соединения либо комплекса или будет  находиться в воде в виде мелкодисперсного твёрдого осадка — разница очевидна... Жаркая дискуссия между сторонниками и противниками полностью деминерализованной воды далека от своего завершения, но для  тех, кто не любит вкус такой воды или заботится о своем минеральном  балансе, некоторые производители  снабжают свои бытовые фильтрационные системы минерализатором. Получается парадоксальная ситуация — сначала  воду очищают от примесей, а затем  аналогичные вещества снова добавляют, на этот раз в чётко отмеренном количестве. Чаще всего добавляют  кальций, фтор и йод. Самый простой  путь обогащения воды кальцием — пропускание  её через слой природного минерала — кальцита Чистая вода в силу ряда причин имеет не нейтральную, а слабокислую  реакцию, она растворяет некоторое  количество этого минерала и обогащается  кальцием.

Структуризатор.

Это гораздо более экзотичная часть системы обратного осмоса По уверениям производителей она придаёт конгломератам из молекул воды гармоничную структуру, свойственную воде, входящей в состав живых клеток. Реальный оздоровительный эффект от приборов такого рода ещё в полной мере не доказан, однако на рынке такие системы уже присутствую[4].