Использование мембранных систем в городском хозяйстве

А. Г. Первов, доктор техн. наук, профессор,

Ю. В. Павлов, канд. техн. наук, доцент,

Г. Г. Жабин, инженер

Мембранные процессы – обратный осмос и нанофильтрация – широко применяются при подготовке высококачественной воды на различных предприятиях: пищевой, фармацевтической промышленности, при производстве бутылированной питьевой воды, в производстве стекол, дистиллята и тосола для автомобилей, в энергетике. Уже давно стало привычным видеть мембранные системы в больницах, лабораториях, в производственных цехах различных предприятий.

Эффективность мембран в задержании ионов солей и молекул органических соединений используется и для приготовления питьевой воды в домашних условиях, а также в офисах, пищеблоках предприятий, больниц, в ресторанах и т. д. [1]. Такие домашние мини-системы, несмотря на эффективность, достаточно дороги и сложны в эксплуатации. При высокой стоимости мембранных процессов пока еще рано серьезно говорить о возможности их широкого применения в централизованном водоснабжении, однако предпосылки для этого созрели давно.

В силу усложняющейся экологической ситуации городским очистным сооружениям становится все труднее обеспечить высокое качество питьевой воды по всем показателям, предусмотренным СанПиН. Особую опасность составляют хлорорганические соединения, бактерии, вирусы, а также фтор и стронций.

Важный аспект проблем городского водоснабжения – состояние городских сетей. В мировой практике уже начинают применяться крупные мембранные установки нанофильтрации и ультрафильтрации для доочистки воды, поступающей с городских очистных сооружений. Известны крупные установки (от 2 000 до 10 000 м³/ч), используемые при водоснабжении целых районов Парижа [2], а также ряда городов США, Нидерландов, Великобритании.

Многие отдельные городские объекты имеют повышенные требования к составу водопроводной воды по содержанию взвешенных частиц, бактерий, железа, жесткости. Это – медицинские оздоровительные центры, элитные клубы здоровья, офисные здания, поликлиники, жилые дома и др. Проблемы возникают не только с холодной водой, но и с горячим водоснабжением и теплоснабжением. В такой ситуации целесообразным можно считать отказ от централизованных услуг и создание автономных инженерных систем в отдельных зданиях, в которые входят: подготовка качественной питьевой воды, используемой для производства горячей воды (бойлер), и подпитка системы теплоснабжения [3].

	Рисунок 1. (подробнее) Система подготовки питьевой воды производительностью 12 м3/ч (60–100 м3/сут.). Здание московской тыловой таможни. Москва, ш. Энтузиастов, д. 42. 2002 год.
	Рисунок 2. (подробнее) Система подготовки питьевой воды производительностью 3 м3/ч (15–30 м3/сут.). Стоматологическая поликлиника. Москва, ул. Поликарпова, д. 7. 2002 год.

На рис. 1 и 2 показаны системы подготовки питьевой воды с использованием нанофильтрационных установок, установленные в хозяйственных помещениях офисного здания (рис. 1) и стоматологической поликлиники (рис. 2). На рис. 3 и 4 показаны серийные автоматизированные мини-системы подготовки воды, используемые в поликлиниках, столовых, офисах и т. д. Технологическая схема улучшения качества воды с помощью мембранных установок показана на рис. 5.

	Рисунок 3. (подробнее) Система подготовки обессоленной воды для поликлиники. Производительность – 200 л/ч. Поликлиника. Москва, ш. Энтузиастов, д. 42. 2002 год.
	Рисунок 4. (подробнее) Одна из 10 мини-систем производительностью 30 л/ч для автоматической подпитки контура охлаждающей воды системы кондиционирования воздуха. Москва, Музей им. А. С. Пушкина. 2000 год.

Переход на «собственное обеспечение» с помощью автономных инженерных коммуникаций открывает большие перспективы для мембранных установок.

Мембранные установки благодаря низкой стоимости, компактности, простоте сервиса, полной автоматизации могут успешно применяться для приготовления питательной воды контуров автономных источников тепла, крышных котельных и т. д. Водно-химический режим контуров отопления должен обеспечить отсутствие накипи на греющих поверхностях теплообменных аппаратов, что требует заполнения контуров отопления умягченной водой и постоянную подпитку их небольшим количеством умягченной воды.

Рисунок 5. Технологическая схема мембранных установок подготовки воды. Обозначения: 1 – шаровой кран исходной воды; 2 – шаровой кран отключения насосов; 3 – реле давления исходной воды; 4 – ингибиторный патрон; 5 – рабочий насос; 6 – манометр рабочего давления; 7 – рулонные элементы; 8 – манометр давления чистой воды; 9 – обратный клапан; 10 – реле давления чистой воды; 11 – бак-гидроаккумулятор; 12 – шаровой кран отключения бака-аккумулятора; 13 – реле давления чистой воды – включения байпаса; 14 – задвижка-байпас; 15 – шаровой кран подачи чистой воды; 16 – регулирующий вентиль.

В зависимости от объемов подпиточной воды, меняющихся от 1 м³/сут. (для крышных котельных) до 5–10 м³/сут. (для автономных источников тепла, снабжающих группу зданий), системы мембранной водоподготовки имеют производительность от 50 до 500 л/ч. Технологическая схема таких систем показана на рис. 5. В отличие от установок подготовки питьевой воды, в которых применены нанофильтрационные мембраны, снижающие общую жесткость на 50–70 %, в системах производства подпиточной воды используются обратноосмотические мембраны, снижающие жесткость на 99 %. Такие установки требуют минимального сервиса, состоящего в замене ингибиторных патронов предочистки и проведения процедуры регенерации мембранных фильтров не чаще 1 раза в 3–6 месяцев. Применение мембранных установок позволяет обеспечить полностью автоматизированный безреагентный режим работы, не требующий постоянного присутствия службы эксплуатации. Такие системы имеют преимущество перед системами натрий-катионирования, требующими более частых регенераций и потребляющими реагенты (поваренную соль).

Мембранные установки оказываются наиболее перспективными при внедрении в более широких государственных масштабах – на районных тепловых станциях (РТС). Для производства горячей воды и теплоснабжения целых районов жилых зданий используются паровые котлы. Для производства пара используется глубоко умягченная вода, которую традиционно получают с помощью ионообменных установок натрий-катионирования. Использование натрий-катионитовых фильтров имеет существенный недостаток: регенерация фильтров производится раствором поваренной соли, и образующиеся соленые регенерационные стоки должны быть утилизированы. Традиционно эти стоки направляются в городскую канализацию, однако в масштабах большого города эксплуатация РТС составляет серьезную экологическую проблему.

Рисунок 6. Схема водоподготовки для РТС с использованием установок обратного осмоса и доумягчения натрий-катионированием. Обозначения: 1 – патрон-дозатор ингибитора; 2 – мембранный фильтрационный элемент; 3 – насос высокого давления; 4 – реле давления исходной воды; 5 – манометр рабочего давления; 6 – регулировочный вентиль рабочего давления; 7 – счетчик фильтрата; 8 – шаровой кран подачи воды из водопровода; 9 – натрий-катионитовый фильтр.

В мембранных обратноосмотических установках исходная вода разделяется на два потока: прошедшую через мембраны обессоленную воду (фильтрат) и поток, в котором остаются все соли и загрязнения (концентрат). По своему солевому составу концентрат представляет собой исходную воду, сконцентрированную в 2–3 раза, и не является каким-либо агрессивным рассолом или стоком, не подлежащим сбросу в канализацию. Для сброса в бытовую канализацию установлены нормативы состава сточных вод для приема в городскую канализацию, ограничивающие общее солесодержание воды значением 1 000 мг/л, поэтому концентрат мембранных установок, использующих воду из городского водопровода, обычно укладывается в указанные нормативы.

В случае подготовки воды для паровых котлов среднего давления на РТС подготовленная вода должна иметь значение жесткости не более 0,05 мг-экв/л. Современные обратноосмотические мембраны, имеющие значение селективности по солям на уровне 99 %, могут снизить содержание солей жесткости (кальция и магния) в 100 раз, что может оказаться недостаточным для котловой воды. Для предотвращения проскока ионов кальция и магния в подпиточную воду котлов в схемах водоподготовки используют традиционные ионообменные натрий-катионитовые фильтры (рис. 6). Однако в отличие от традиционных схем натрий-катионирования при использовании мембранных установок требуются ионообменные фильтры малого размера, регенерируемые крайне редко – не чаще 1 раза в 2–3 месяца, что делает солевые стоки незаметными в общем потоке сбрасываемого концентрата.

На рис. 7 показан общий вид мембранной установки производительностью 20 м³/ч в комплекте с натрий-катионитовым фильтром доумягчения для подготовки питательной воды паровых котлов.

	Рисунок 7. (подробнее) Общий вид системы подготовки питательной воды паровых котлов производительностью 20 м3/ч. Котельная Черкизовского мясокомбината, Москва, 1996 год.
	Рисунок 8. (подробнее) Двухступенчатая схема подготовки глубоко обессоленной воды с использованием обратноосмотических мембран.
	Рисунок 9. (подробнее) Нанофильтрационная установка производительностью 100 м3/ч для улучшения качества подземных вод. г. Шатск, Тульская обл., 1998 год.

При небольших расходах подпиточной воды котлов (до 25 м³/ч) целесообразно использовать двухступенчатую схему обратного осмоса, позволяющую получать глубоко умягченную воду без использования натрий-катионитовых фильтров (рис. 8).

Описанные выше мембранные установки работают по единой упрощенной технологической схеме, разработанной и опробованной лабораторией улучшения качества воды института ВОДГЕО [4]. При использовании воды из водопровода специальной предварительной очистки для ее подачи в обратноосмотическую установку не требуется, за исключением использования картриджей предочистки. Исходная вода проходит последовательно через патронный фильтр с сеткой 50 мкм и патронный фильтр-дозатор, заполненный специальным порошком – ингибитором. Исходная вода, проходя через патрон-дозатор, медленно растворяет ингибитор, который попадает в исходную воду в количестве 4–5 мг/л. Дозирование ингибитора необходимо для предотвращения образования на мембранах осадков малорастворимых солей – карбоната кальция.

Однако полностью предотвратить рост осадков на мембранах не представляется возможным, поэтому через 500–1 000 ч непрерывной работы применяются химические регенерации (промывки) мембран специальными растворами, удаляющими с поверхности мембран осадки карбоната кальция, а также осадки гидроокиси железа, биологических и органических загрязнений, присутствующих в водопроводной воде. Сервисные мероприятия, заключающиеся в замене картриджей предочистки и проведении регенераций, осуществляются сотрудниками сервисной службы фирмы-изготовителя или специально обученным персоналом.

Область применения мембранных процессов в городском хозяйстве постоянно расширяется. Важным аспектом снабжения населения водой является использование артезианских водоисточников. В ряде городов и поселков московской области используемые для водоснабжения подземные воды содержат, помимо жесткости и железа, в повышенных концентрациях фториды, стронций и даже радионуклиды.

Использование мембранных установок для водоснабжения новых микрорайонов может избавить от опасности подачи потребителям некачественной воды. На рис. 9 показана нанофильтрационная установка производительностью 100 м³/ч для улучшения качества подземных вод.

Выводы

Широкому внедрению перспективных мембранных технологий водоподготовки в городских водных хозяйствах способствуют:

- ужесточающиеся с каждым годом требования к качеству питьевой воды;

- отказ от централизованных услуг и создание автономных систем водо- и теплоснабжения;

- экологические требования по ограничению сбросов регенерационных растворов систем водоподготовки РТС в канализацию;

- рост использования артезианских вод для целей водоснабжения.

Литература

1. Первов А. Г., Павлов Ю. В., Жабин Г. Г. Новейшие технологии подготовки воды в централизованном водоснабжении на основе мембранных технологий // Сантехника. 2003. № 1. С. 5–8.

2. Ventresque C. An outstanding feat of modern technology: the Mery-sur-oise Nanofiltration treatment plant (340 000 m³/d) // Proceedings of the Conference on Membranes in Drinking and Industrial Water Production. Paris, France, 3–6 October, 2000. V. 1. P. 1–17.

3. Первов А. Г., Макаров Р. И., Андрианов А. П., Ефремов Р. М. Мембраны – новые перспективы освоения рынка питьевой воды // ВСТ. 2002. № 10. С. 26–29.

4. Первов А. Г. Производство и сервис систем водоподготовки с применением мембран // ВСТ. 2001. № 5. С. 17–19.