Мембранные технологии: прошлое, настоящее и будущее (на примере Северной Америки)

Аннотация

Освещаются основные тенденции в области разработки мембранных процессов для очистки воды и сточных вод в Северной Америке. Приведены основные характеристики, главные направления и особенности применения мембран, включая мембранные биореакторы. Сопоставляются характеристики, необходимые при оценке и выборе наилучших мембранных технологий для каждого отдельного проекта. Мембранная обработка в водоподготовке, очистке сточных вод и опреснении воды стала быстроразвивающимся направлением. При этом используются четыре категории мембран, которые классифицируются по размеру пор: микрофильтрация (MF), ультрафильтрация (UF), нанофильтрация (NF) и обратный осмос (RO). В области очистки сточных вод мембранные биореакторы (MBR) стали признанной технологией. Все четыре основных типа мембран обеспечивают удаление полного спектра веществ, загрязняющих воду, поэтому в большинстве случаев могут использоваться как самостоятельные технологии. Интегрированные мембранные процессы, комбинирующие различные типы мембран, становятся современным методом, позволяющим выполнять строгие требования, предъявляемые к качеству воды (сточных вод), поскольку обеспечивают минимально возможные размеры очистных сооружений, минимальный расход химических реагентов и в большинстве случаев являются самым рентабельным решением.

Ключевые слова

питьевая вода , очистка сточных вод , обратный осмос , ультрафильтрация , опреснение , мембраны , микрофильтрация , нанофильтрация , мембранный биореактор

Скачать статью в журнальной верстке PDF

I. Введение

Традиционные технологии очистки воды были известны давно и широко использовались в течение многих столетий, в том числе фильтрация через зернистые загрузки. Мембраны для очистки воды появились только во второй половине XX столетия. Первая обратноосмотическая мембрана высокого давления (RO) была разработана в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (UCLA) в 1962 г. и запущена в серийное производство к началу 1970-х годов. Мембраны низкого давления, микрофильтрация (MF) и ультрафильтрация (UF) стали широко применяться для обработки питьевой воды примерно десятилетие назад. Мембранные технологии, обладающие существенными техническими преимуществами и ставшие конкурентоспособными по стоимости, быстро вытесняют традиционные, проверенные столетиями, методы.

В настоящее время в промышленном масштабе используются четыре основных типа мембранной фильтрации, классифицированных по размерам пор мембран: микрофильтрация – отделяет частицы от 0,1 до 0,5 мк; ультрафильтрация – от 0,005 до 0,05 мк; нанофильтрация – от 0,0005 до 0,001 мк; обратный осмос имеет диапазон отсечения молекулярного размера до 10 MWCO.

Процессы мембранного удаления различных видов загрязнений из воды приведены на рис. 1. Для получения питьевой воды, соответствующей требованиям Drinking Water Guidelines and Standards, а также опресненной и (или) ультрачистой воды (UPW), используемой в энергетике, электронике, пищевой, фармацевтической, медицинской и других отраслях промышленности, обычно используются все четыре категории мембран.

По конструкции мембраны подразделяются на рулонные, половолоконные и плоские.

В зависимости от величины рабочего давления мембранные процессы делятся на группы: под давлением – низконапорные (микро- и ультрафильтрация) и высоконапорные (нанофильтрация и обратный осмос); под вакуумом (погружные мембраны) – низконапорные (микро- и ультрафильтрация).

Область применения мембран:

очистка природных и хозяйственно-бытовых сточных вод;
подготовка воды для питьевого водоснабжения, включая опреснение;
очистка городских сточных вод, биологическая очистка сточных вод, третичная очистка и обработка оборотной воды;
промышленная водоподготовка – в энергетике, производстве деионизированной воды, полупроводников, фармацевтических препаратов, пищевой промышленности (приготовление напитков), в медицинских целях;
очистка производственных сточных вод при обработке и повторном использовании воды и в системах охлаждения с градирнями, на электростанциях, удалении тяжелых металлов, в мобильных системах для судов, в системах полевого водоснабжения армии в чрезвычайных ситуациях, в сельскохозяйственных ирригационных и оборотных системах.

II. Опреснение воды

Ресурсы пресной воды на земном шаре весьма ограничены (рис. 2), что делает актуальным развитие процессов ее опреснения и обессоливания. Древнейшие методы опреснения воды основаны на испарении и сборе конденсата. Наиболее известны дистилляционные термические процессы: многоступенчатые мгновенного вскипания (MSF) (адиабатные), многоступенчатое (MED) и парокомпрессионное испарение (VC). В процессах мгновенного испарения для выделения воды из солевого раствора используется тепловая энергия, в технологии реверсивного электродиализа для удаления катионов и анионов из потока соленой воды – электрический ток высокого напряжения.

Новейшая промышленная технология опреснения воды основана на мембранной обработке. Обратный осмос (RO), обратный осмос солоноватой воды с низконапорными мембранами (BWRO), обратный осмос морской воды с мембранами высокого давления (SWRO) – это наиболее быстро развивающиеся технологии опреснения воды с самым большим числом установок во всем мире. Число мембранных установок опреснения воды составляет порядка 14 тыс. единиц, что приближается к 80% всех установок для опреснения воды (рис. 3, 4).

Несоответствие между числом установок и их общей производительностью можно объяснить развитием процесса опреснения воды. Термические процессы в технологиях опреснения существовали на рынке более пяти десятилетий, и большинство из них отличаются относительно большой производительностью. Однако это соотношение, как ожидается, значительно изменится, поскольку большинство систем опреснения воды, спроектированных, построенных и намеченных к строительству в настоящее время, основано на мембранных технологиях. Например, самой большой мембранной установкой опреснения морской воды (SWRO) в США является установка Tampa Bay производительностью 95 тыс. м³/сут (с увеличением до 130 тыс. м³/сут). Установка запущена в эксплуатацию в 2003 г. На заново спроектированной установке опреснения воды в Карлсбаде производительностью 190 тыс. м³/сут планируется использовать технологию обратного осмоса морской воды с мембранами высокого давления (SWRO). Крупнейшая установка опреснения морской воды с мембранами высокого давления в г. Ашкелоне (Израиль) была введена в эксплуатацию в мае 2005 г., ее производительность составляла 166 тыс. м³/сут, к концу 2005 г. была увеличена до 330 тыс. м³/сут.

Оценка различных технологий, включая термические процессы, для этих крупных установок опреснения воды, основанная на 20–30-летнем опыте их эксплуатации, показала, что опреснение морской воды по технологии обратного осмоса с мембранами высокого давления (SWRO) обеспечивает самое рентабельное решение во всех случаях, включая капиталовложения, эксплуатационные расходы, себестоимость 1 м³ обработанной воды. Положительные результаты эксплуатации (например рентабельность), полученные на крупных действующих установках обратного осмоса морской воды с мембранами высокого давления, позволяют с большей безопасностью и уверенностью строить более крупные установки. Главным фактором, тормозившим широкое внедрение мембранного опреснения воды, было высокое потребление энергии в ходе процесса, которое определялось главным образом соленостью воды и ее температурой. Усовершенствование таких установок привело к тому, что мембранным процессам было отдано предпочтение перед термическими, что увеличило число установок обратного осмоса во всем мире. Эти усовершенствования включают: разработку систем рекуперации энергии с экономией более чем 90% мощности, теряемой при сбросе концентрата; создание новых современных материалов мембран, таких как тонкослойные композитные мембраны (TFC) с улучшенными свойствами; улучшение предварительной обработки и внедрение мембранных процессов низкого давления – микрофильтрации и ультрафильтрации; существенное сокращение капитальных и эксплуатационных затрат.

III. Обработка воды

При обработке воды наиболее распространены технологии микро- и ультрафильтрации. При появлении в воде растворенных загрязнений может быть использован процесс обратного осмоса. Для создания абсолютного барьера для частиц и коллоидов при обработке питьевой воды ведущей технологией становятся мембранные процессы низкого давления (рис. 5).

Независимо от изготовителя и типа мембранных элементов микро- и ультрафильтрация обеспечивают абсолютный барьер твердым частицам и коллоидам. Их эффективность не зависит от колебаний подачи воды, залповых концентраций загрязнений – качество очищенной воды остается стабильным. Мембраны низкого давления могут использоваться в режиме прямой фильтрации или в комбинации с реагентами.

Все ли проблемы решены в мембранных процессах? Предстоит еще пройти длинный путь улучшения процесса и снижения общей стоимости. Мембранные процессы находятся на стадии интенсивного развития. Главные направления развития микро- и ультрафильтрации: увеличение производительности и срока службы мембран; снижение трансмембранного давления; увеличение селективности; усовершенствование процесса производства мембран, а также технологии фильтрования, включая обратную промывку и химическую очистку.

Объектами настоящих и будущих исследований и разработки в области применения мембран являются следующие характеристики и параметры: улучшение формы пор, их однородности и распределения; улучшение гидрофильных свойств, увеличение общей пористости мембран; создание более совершенных и экономичных мембранных материалов.

За последние 10–20 лет значительно повысились доступность, эффективность и надежность мембранных систем, в то время как капитальные и эксплуатационные затраты для них значительно снизились. Это привело к глобальному (экспоненциальному) росту числа мембранных водоочистных установок. По мере роста конкуренции в мембранном бизнесе росло и число поставщиков мембран. В результате в прошлом десятилетии появилась заметная тенденция к снижению цен на мембраны. Стандартизация аппаратурных процессов низкого давления – все еще нерешенная проблема, которая может изменить ситуацию на рынке и значительно снизить стоимость мембранных установок.

В процессах водоподготовки мембраны низкого давления (микро- и ультрафильтрация) успешно вытесняют обычные осветлители и зернистые фильтры (одно- и многослойные), обеспечивая более высокое качество очищенной воды. Мембраны низкого давления могут работать в широком диапазоне pH среды 2–12, поэтому, если это необходимо, для улучшения качества воды при водоподготовке могут быть безопасно использованы любые реагенты. Коагуляция, совмещенная с мембранной фильтрацией, является проверенным методом снижения общего органического углерода (TOC) и цветности воды.

При подготовке воды для технологических целей мембранные процессы высокого давления – нанофильтрация и обратный осмос – успешно заменяют традиционные технологии умягчения и ионного обмена, основанные на применении различных типов ионообменных смол: сильнокислотного катионита, слабокислотного катионита, сильноосновного анионита и слабоосновного анионита.

Для получения ультрачистой воды революционная технология электродеионизации (EDI) успешно заменяет использование ионообменников смешанного действия, обеспечивая стабильное удельное сопротивление воды 18 МОм·см, что соответствует самым строгим стандартам для производства полупроводников, энергетики, фармацевтической, медицинской и других видов промышленности.

IV. Обработка сточных вод и их повторное использование

В обработке сточных вод мембраны нашли свое место в начале 1990-х годов. Прогнозируется устойчивый рост очистки сточных вод на мембранах, превышающий 15% в год, до 2015 г.

Мембраны для очистки сточных вод и повторного использования воды в основном применяются:

в мембранных биореакторах (аппараты под давлением или погружные мембранные модули под вакуумом) для отделения очищенной воды от активного ила и доочистки очищенной воды от взвешенных частиц;

при повторном использовании и в оборотном водоснабжении для удаления взвешенных веществ и снижения общего солесодержания в биологически очищенной воде (процессы микро- и ультрафильтрации применяются самостоятельно либо в качестве предочистки перед процессами нанофильтрации и обратного осмоса).

Мембранные технологии могут использоваться самостоятельно или в комбинации с традиционными технологиями. Выбор процесса основан на изучении состава сточных вод и требований к очищенной воде и производительности системы, а также на эксплуатационных требованиях и специфических потребностях каждого объекта.

При выборе технологии мембранной очистки для конкретного проекта необходимо рассмотреть главные особенности ее работы и экономические показатели. Сравнение параметров работы мембранного биореактора с обычной биологической очисткой представлено в табл. 1.

Как видно из табл. 1, мембраны обеспечивают устойчивое качество очищенной воды, которое превосходит качество, получаемое при традиционных процессах. Два десятилетия назад гарантированный срок службы мембран составлял не более 3 лет. Современные производители обеспечивают 5-летние гарантии, а некоторые поставщики дают гарантию на 8–10 лет. Одна из главных характеристик технологии MBR – это способность мембран удалять патогенные микроорганизмы, обеспечивая одновременно дезинфекцию сточных вод. Количество установок MBR росло по экспоненте (как показано рис. 6).

Табл. 2 может служить непосредственным руководством для выбора мембранного процесса для различных потребностей обработки. Каждый индивидуальный проект должен быть оценен с учетом качества исходной воды, требований к очищенной воде, размера системы, капитальных и эксплуатационных затрат, а также специфики местных условий.

Выводы

Мембраны обладают существенными преимуществами: они стали экономически эффективными для подготовки питьевой воды, очистки сточных вод и опреснения, заменяя обычные процессы как при строительстве новых, так и реконструкции и модификации существующих сооружений.

Применение мембранных процессов обеспечивает: абсолютный барьер для загрязнений; экономию площади; качество очищенной воды, не зависящее от колебаний и пиковых значений расхода воды и концентрации загрязнений; минимальное количество реагентов или их отсутствие; минимальную предварительную обработку или отсутствие необходимости в ней; одноступенчатый процесс; модульную схему, позволяющую легко увеличивать производительность; минимальный объем отходов (включая осадок и химикаты); простоту в эксплуатации с дистанционным мониторингом; более низкую потребность в хлоре и минимальную интенсивность УФ-облучения для последующей дезинфекции.

Каждый вид водоподготовки или очистки сточных вод, обессоливание и повторное использование воды имеют альтернативу в виде мембранных процессов. Применение мембран становится новым стандартом в водоподготовке, находящим все большее распространение и заменяющим традиционные технологии. В комбинации с другими технологиями мембраны могут быть использованы для удаления минеральных и органических веществ в воде, включая летучие соединения (например 42 разрушителя эндокринной системы, найденные в США), фармацевтически активные соединения.

Среди преимуществ мембранной обработки можно выделить более высокое качество очистки, компактность, сокращение занимаемой площади и более простую эксплуатацию. С принятием промышленностью мембранных технологий и быстрым ростом числа действующих сооружений стоимость мембранных систем приближается в настоящее время к стоимости традиционных сооружений.