Тенденции и перспективы применения мембранных технологий
в системах водоснабжения и водоотведения

Проблемы воды и общий фон развития мембранных технологий

С каждым годом растет потребность людей в воде, пригодной для использования, и в то же время, естественные воды непрерывно загрязняются деятельностью человека. "Сейчас более 1,2 млрд. людей не имеют обработанной питьевой воды и более 3 млрд. людей не имеют соответствующей обработки сточных вод и это при ежегодном 80 млн. росте населения" (World Bank Estimates 2003).

Индустриальная деятельность человека сопровождается непрерывным сбросом многообразных по своему химическому составу сточных вод, которые, попадая в источники питьевой воды, создают серьезную угрозу здоровью людей.

"Болезни, вызванные некачественной водой, - это растущая трагедия человечества. Из-за плохой воды в мире ежегодно умирает более 5 млн. человек - это в 10 раз больше, чем погибает в войнах" (World Health Organization Estimates 2002).

В такой ситуации международные организации и правительства многих стран вынуждены усиливать требования к качеству сточных вод и осуществлять строгий контроль качества питьевой воды, что приводит к удорожанию стоимости питьевой воды для населения и технической воды для промышленных предприятий.

Стремительно растущая потребность в воде и ограниченные ресурсы источников воды в виде рек, озер и подземных вод, с одной стороны, и удорожание подготовки питьевой и технической воды, с другой стороны, приводят к необходимости создания и использования новых технологий обработки воды, которые позволяют быстро, эффективно и экономически выгодно очищать воды, а также получать питьевую и индустриальную воду из огромных запасов морской воды. В последние 10 - 15 лет широкое применение находят мембранные технологии обработки воды, которые позволяют при подготовке питьевой воды надежно очищать исходную воду от примесей, вызывающих болезни, при обработке сточных муниципальных вод получать воду, пригодную для использования в промышленных целях, а при обработке индустриальных сточных вод получать воду, пригодную для повторного использования. Кроме того, с помощью мембран можно достаточно эффективно удалить соли из морской воды (т. е. произвести обессоливание воды), что открывает огромные перспективы в получении питьевой и индустриальной воды практически из неисчерпаемого источника.

Растущие потребности в воде обуславливают необходимость динамичного развития водного сектора мировой экономики. Прогнозируется общий объем инвестиций в водный сектор до 2010 года около 800 млрд. USD. Предполагается, что объем продаж оборудования в мировой индустрии очистки воды возрастет с 23 млрд. USD в 2003 году до 33 млрд. USD в 2010 году, при этом доля Европы составит 35%. Рост потребностей в мембранных материалах приводится в Таблице 1.


Таблица 1. Потребность в мембранных материалах.
Потребность (млн. USD) Ежегодный прирост (%)
Вид мембраны 1998 2003 2008 03/98 08/03
Все мембраны 1 190 1 785 2 675 8,4 8,4
Микрофильтрация 626 860 1 175 6,6 6,4
Ультрафильтрация 197 329 530 10,8 10,0
Обратный осмос 234 390 620 10,8 9,7
Другие 133 206 350 23,9 21,1

Следует отметить, что прирост потребности в применении мембран микрофильтрации/ультрафильтрации (МФ/УФ) в области очистки муниципальных и сточных вод оценивается в 11%. Если в 2001 году в оборудовании фильтрации воды и сточных вод, оцениваемом в 30 млрд. USD, доля мембранного оборудования составляла 1%, то по прогнозу на 2010 год доля мембранного оборудования будет около 22% от общей стоимости оборудования фильтрации, которое оценивается в 54 млрд. USD.

На развитие и применение мембранных технологий в водном секторе влияют следующие факторы (стимулы):

  • окружающая среда (рост населения, ограниченные источники воды, загрязнение воды);
  • охрана здоровья;
  • международные и Европейские нормы и требования по обработке сырой воды и сточных вод;
  • целевые программы ООН, Всемирного банка и Европейского банка реконструкции и развития;
  • коммерциализация (приватизация водохозяйств, государственное стимулирование реализации проектов, интеграция компаний по обработке воды);
  • конкуренция (завоевание рынка, стремление создать стандарты в создании средств обработки воды, снижение цен);
  • стандарты (унификация мембран, оборудования и комплектующих);
  • развитие восточного (Восточная Европа, СНГ, Китай) и африканского рынков;
  • реконструкция водохозяйств.

В то же время к сдерживающим факторам развития мембранных технологий, можно отнести следующие:
  • бюджетные ограничения;
  • сложившаяся инфраструктура и традиционная технология работы;
  • несоблюдение законов, норм и требований по обработке воды;
  • слабый приток частных инвестиций в Восточной Европе и СНГ;
  • бюрократизм и коррупция;
  • консерватизм топ-менеджеров и проектировщиков.

Мембранные технологии и их характеристики


Современные мембранные технологии, применяемые для водоснабжения и водоотведения, включают четыре вида: микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и гиперфильтрацию (обратный осмос). Мембраны этих видов отличаются размером пор мембран и соответственно размером задерживаемых примесей.

В отличие от традиционных методов (насыпные фильтры, аэрация, химобработка, обеззараживание), требующих больших площадей, многошаговой технологии обработки, значительного количества эксплуатационного персонала, мембранные технологии имеют следующие преимущества:

  1. компактность оборудования (например, один модуль ультрафильтрации диаметром 250 мм и длиной 1700 мм имеет производительность от 2,5 до 7 м3/час);
  2. простота наращивания мощностей ввиду модульной конструкции оборудования;
  3. надежная барьерная фильтрация;
  4. достаточно низкое энергопотребление;
  5. возможность получения качественной фильтрации на одном шаге обработки воды (получение питьевой воды из поверхностной и подземной воды);
  6. получение питьевой и индустриальной воды из морской воды;
  7. минимальное использование химикатов;
  8. возможность полной автоматизации процессов обработки и контроля качества воды;
  9. бурно развивающаяся технология (появление новых механически и химически стойких мембран).

Затраты на 1 м3 воды, обработанной мембранной технологией, по сравнению с традиционными технологиями неуклонно снижаются. Если десять лет назад они были в несколько раз больше, то в настоящее время не только сравнялись, но стали меньше. На примере мембран ультрафильтрации фирмы "ZENON" приведен График 1, иллюстрирующий темпы снижения затрат на 1 м3 обработанной воды в период с 1995 по 2003 годы.


График 1. Темпы снижения затрат на 1 м3 обработанной воды.

Таблица 2. Основные параметры и характеристики различных видов мембранной фильтрации.
Характеристика Микро-фильтрация Ультра-фильтрация Нано-фильтрация Обратный осмос
Материал полиамид, полипропилен, полисульфон, керамика целлюлоза, полисульфон, керамика целлюлоза, тонкопленочные, композитные, материалы целлюлоза, тонкопленочные, композитные, материалы, полисульфон
Размер пор (микрон) 0,01 - 1 0,001 - 0,01 0,0001 - 0,001 < 0,0001
Размер удаляемых молекул (дальтон) > 100 000 2 000 - 100 000 300 - 1 000 100 - 300
Рабочее давление (бар) < 2 1,5 - 7 3,5 - 20 15 - 70
Удаление взвешенных частиц да (очень мелкие частицы, крупные коллоиды, эмульсии) да (коллоиды) да да
Удаление растворенных органических веществ нет да да да
Удаление растворенных неорганических веществ нет нет 20-85% 95-99%
Удаление микроорганизмов цисты простейших, большие бактерии, водоросли цисты простейших, бактерии, водоросли, вирусы все микроорганизмы все микроорганизмы
Эффект осмотического давления нет небольшой умеренный высокий
Способность к концентрации отложений высокая высокая умеренная умеренная
Качество фильтрата (пермеата) высокое (взвеси 0,5 мг/л, мутность 0,2 мг/л) умеренно-высокое высокое (ОС=1 - 10 мг/л)
Химический состав воды не изменяется не изменяется изменяется изменяется
Энерго-потребление низкое (0,1 - 0,2 кВтч/м3) низкое (0,1 - 0,2кВтч/м3) низко-умеренное умеренное (0,9 - 3,7 кВтч/м3)
Стойкость мембраны высокая высокая умеренная умеренная

Все виды мембранной фильтрации выполняются под давлением. Чем меньше размеры пор мембран, тем выше давление (размеры пор мембран микрофильтрации до 1 мкм - давление меньше 2 бар; размеры пор мембран обратного осмоса до 0,0001 мкм - давление от 17 до 70 бар). Процесс прохождения примесей через мембраны микрофильтрации и ультрафильтрации является процессом просеивания. В мембранах нанофильтрации и обратного осмоса процесс прохождения ионов и молекул через мембраны является более сложным процессом диффузии, и поэтому этот процесс зависит от ряда факторов, таких как состав исходной воды, загрязнение мембран, заряд мембран и коэффициент концентрации солей.

Все виды мембран имеют определенные требования к качеству входной воды. Наименее требовательны к составу входной воды мембраны микро- и ультрафильтрации. Эти мембраны допускают обработку хлорированной воды, высокое содержание взвешенных частиц (от 50 до 40 000 мг/л в зависимости от типа мембран) и работают в широком диапазоне рН (от 1 до 13). Мембраны нанофильтрации и обратного осмоса предъявляют достаточно высокие требования к качеству входной воды. Обычно требуется предварительная обработка воды, которая заключается в удалении взвешенных частиц, растворенного железа и нейтрализации окислителей.

Установки мембранной фильтрации удобны в эксплуатации ввиду их достаточно высокого уровня автоматизации, но требуют тщательного соблюдения технологии их эксплуатации.

Все виды мембран нуждаются в периодической промывке и очистке, в том числе химически усиленной очистке. Несоблюдение технологии эксплуатации может привести к необратимым процессам загрязнения и порчи мембран.

Ниже в Таблице 3 приведены области применения мембранной фильтрации.


Таблица 3. Области применения мембранной фильтрации.
Мембранная технология Муниципальная обработка воды Индустриальная обработка
Микрофильтрация Питьевая вода Сточные воды Предподготовка воды Сточные воды
Ультрафильтрация Питьевая вода Сточные воды Предподготовка воды Сточные воды
Нанофильтрация Питьевая вода --- Предподготовка воды
Обратный осмос Питьевая вода --- Обессоленная и ультрачистая вода

К настоящему времени в мире реализованы десятки крупных проектов по подготовке питьевой воды и обработке муниципальных и индустриальных вод (производительность станций от 1000 до 100 000 м3/сутки). Во Франции реализован уникальный проект одношагового получения питьевой воды для региона населением 800 000 человек непосредственной из речной воды с помощью системы, использующей мембраны нанофильтрации. Этот проект гарантирует высокое качество (в том числе, умягченную воду) и безопасность воды без применения химических средств обеззараживания воды.


Тенденции технического развития мембран

Развитие и совершенствование мембран идет в следующих направлениях:

  • создание механически, химически и температурно стойких мембран (новые полимерные материалы, материалы на основе целюллозы, керамика, серебро, композитные материалы);
  • создание мембран низкой степени загрязнения для работы в биореакторах;
  • создание широкого спектра мембран, предназначенных для работы в условиях низкого, среднего и высокого давлений;
  • повышение срока службы мембран до 7 и более лет;
  • снижение стоимостных показателей мембран.

Заключение
  1. Основные факторы, стимулирующие внедрение мембранных технологий: безопасность питьевой воды, возросшие требования к качеству обработки сточных вод, стремительный рост водопотребления и необходимость модернизации существующего оборудования водоснабжения.
  2. Мембранные технологии являются реальной альтернативой традиционным технологиям подготовки питьевой и индустриальной воды, а также в обработке муниципальных и индустриальных сточных вод.
  3. Удельные затраты на обработку воды мембранами не только стали сопоставимы с традиционными методами, но и неуклонно снижаются.
  4. Интенсивно ведутся работы по созданию новых механически, химически и термостойких мембран.
  5. Рынок мембранных технологий стремительно растет и только в Европе в период с 2003 г. до 2010 г. оценивается в несколько десятков миллиардов долларов США.
Вверх