Основные методы и технологии очистки воды

Потребность в чистой воде растет с каждым годом, поскольку все больше потребителей осознают необходимость обеспечить себя водой того качества, которое наиболее полно удовлетворяло бы их запросам. Ни для кого не секрет, что качество воды практически повсеместно оставляет желать много лучшего. Современные технологии очистки воды позволяют добиться практически идеальной степени ее чистоты. На сегодняшний день в мире существуют разные способы очистки воды.

Водоподготовка практически неотделима от водоочистки. Эти термины зачастую используются вместе. Поэтому не будет лишним четко разграничить данные понятия. Поскольку качество воды, используемой в производственных процессах и для питьевого водоснабжения, часто не соответствует жестким нормативным требованиям, или не устраивает потребителей по каким-либо параметрам, приходится заниматься вопросами водоочистки и водоподготовки. Чтобы довести качество воды до требуемого уровня, требуется очистка, или, кондиционирование воды.
В ходе очистки из воды удаляют вредные или «мешающие» вещества, во втором случае (водоподготовка) корректируют состав воды, в том числе путем добавления недостающих компонентов. Используя специальное водоочистное оборудование, можно удалить из воды взвеси и коллоиды, растворенные соли, органические примеси, болезнетворные микроорганизмы. Кроме того, посредством водоочистки или водоподготовки можно повысить органолептические качества воды (цветность, запах, вкус).

Пригодность воды для использования в производстве и в быту обусловлена ее физическими, химическими, биологическими и бактериологическими показателями. В зависимости от ее назначения и нужд потребителей требования к качеству воды различны. Эти требования могут быть настолько разными и жесткими, что их выполнение представляет серьезную технологическую задачу, решить которую способны только компании, специализирующиеся на такой деятельности.

Трудно переоценить значение качественного проектирования станции водоподготовки и водоочистки, особенно если дело касается промышленного производства. Водоочистка и водоподготовка для многих предприятий стали приоритетными направлениями модернизации и оснащения. Особенно там, где владельцы и управленческий аппарат стремится оптимизировать эксплуатационные затраты.

Промышленная водоподготовка – это не только продление срока службы оборудования и повышение качества продукции, но и отличный инструмент снижения индустриальной нагрузки на окружающую среду. Например, внедрение систем оборотного водоснабжения позволяет резко снизить количество сбрасываемых сточных вод и уменьшить потребности в свежей воде, что дает большой экономический и экологический эффект.

Однако водоочистка и водоподготовка имеют большое практическое значение и в быту. Многие владельцы коттеджей/загородных домов сталкиваются с проблемой очистки воды. Наличие собственного источника само по себе не является гарантией того, что из крана течет чистая, пригодная для употребления вода. Однако жизнь показывает, что практически в любом загородном поселке получение качественной воды как для хозяйственного потребления, так и для питьевых нужд является серьезной проблемой.

Дополнительной мотивацией к серьезному отношению к вопросам водоподготовки в быту служит то, что:

• Песок, глина, частички минералов, содержащиеся в воде, выводят из строя бытовые приборы и сантехнику, снижают давление воды в водопроводе.
• Длительное употребление человеком воды с повышенным содержанием железа (более 0,3 мг/л) приводит к заболеваниям печени, увеличивает риск инфарктов, негативно влияет на репродуктивную функцию организма. Из-за окислительных процессов и жизнедеятельности железистых бактерий водопровод может полностью «зарасти» за несколько месяцев. Ржавые подтеки на дорогой сантехнике вряд ли обрадуют ее владельца.
• Избыток марганца (свыше 0,1 мг/л) может вызвать мутации в организме человека.
• Повышенная жесткость воды является причиной накопления солей в организме, а в конечном итоге приводит к заболеваниям суставов, образованию камней в почках, желчном и мочевом пузыре.
• В системах водоснабжения и сантехники происходит интенсивное накопление осадка, что мешает нормальной работе бытовых приборов. Образовавшаяся накипь является причиной 90% отказов водонагревательного оборудования. Расход стиральных порошков увеличивается на 20-30%. Отмечено снижение эффективности действия лечебной косметики в сочетании с жесткой водой. Шампуни превращаются в обычное мыло.
• Кроме химических загрязнений в воде встречаются еще и биологические, вызывающие у человека различные заболевания.

Оптимальная схема водоподготовки подбирается исходя из состава исходной воды и требований, предъявляемых к очищенной воде. Лабораторный анализ воды позволит аргументировано судить о ее составе.

Помимо механического очищения воды от примесей основные методы очистки на локальных системах водоподготовки (промышленных предприятий) основаны на неаскольких способах воздействия: электромагнитными импульсами переменной частоты, химическими реагентами, пропускании воды через полупроницаемую мембрану при определенном давлении:

• Применение (промышленных и бытовых) фильтров очистки воды для удаления из воды загрязнений, ухудшающих органолептические свойства воды. Речь идет о таких загрязнениях как железо, марганец.
• Ионный обмен, посредством которого удаляются из воды ионы растворённых веществ, например, соли жесткости, нитраты, гидрокарбонаты. Химическая водоподготовка – затратный метод.
• Баромембранные процессы (обратный осмос и нанофильтрация)– наиболее перспективные способы для снижения общего солесодержания. Обратный осмос – наиболее экологически безопасный способ снижения избыточных концентраций фтора, бора, брома, ионов натрия и хлора. Нанофильтрация отличается от обратного осмоса селективностью мембран и чаще всего используется для безреагентного умягчения воды.
• Ультрафиолетовое обеззараживание воды. Установки, реализованные на основе этого метода, просты в эксплуатации и требуют минимального обслуживания. В некоторых случаях при достаточно разветвлённой заводской водопроводной сети для предотвращения повторного заражения воды в поток дополнительно вводятся обеззараживающие химические реагенты.

Все четыре баромембранных способа (обратный осмос, нано-, ультра- и микрофильтрация) обеспечивают практически полное удаление микроорганизмов и бактерий, а также соединение железа и механических примесей. Степень очистки по раствору соли NaCl в ряду Микрофильтрация (МФ)- Ультрафильтрация (УФ)- Нанофильтрация (НФ)- Обратный осмос (ОО) крайне высока: МФ – 0%; УФ-10-20%; НФ – 20-80%; ОО – 80-99,5%.

Мембрана в отличие от «накопительных» систем очистки воды (активированный уголь, ионообменные смолы и др.) не накапливает примеси внутри себя, что исключает вероятность их попадания в очищенную воду. Размер задерживаемых частиц определяется структурой мембраны, то есть размером ее пор.

В последнее время всё большую популярность завоевывает обратноосмотический метод очистки воды, поскольку он позволяет получать в результате практически идеально чистую воду (как видно из таблицы выше). Этот метод основан на пропускании загрязненного раствора через полупроницаемую мембрану с отверстиями меньшими, чем размер частиц загрязнений. На выходе образуются два потока: концентрат/рассол (сконцентрированный раствор примесей и солей) и фильтрат/пермеат (очищенная вода). Фильтрат подается потребителю, а концентрат сливается в дренаж. Другими словами суть мембранного отделения примесей заключается в том, что вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеально чистая вода, а все загрязнения остаются по другую ее сторону.

Доля пермеата варьируется в зависимости от производительности установки, состава исходной воды, типа используемых рулонных мембранных элементов и некоторых других показателей, поэтому степень использования исходной воды в среднем составляет 60-80%.

Обратноосмотические мембраны имеют минимальный размер пор (до 1 нм), соизмеримый с размером одиночных ионов, и потому являются самыми селективными и извлекаются 97-99,9% всех растворенных в воде примесей (растворенные соли; органические и патогенные вещества: бактерии, вирусы; железо и гумусовые соединения, придающие воде цветность). В процессе фильтрации происходит концентрирование веществ, которые не проходят через мембрану, а собираются у ее поверхности.

В процессе обратного осмоса используются полупроницаемые мембраны с минимальным размером пор, соизмеримым с размером одиночных ионов, поэтому извлекаются все растворенные ионы и органические молекулы. Рабочее давление в обратноосмотических установках варьируется от 7 до 70 атм.

Эффективность удаления методом обратного осмоса различных ионов зависит от их заряда и размера, определяющих степень гидратации и увеличивается с ростом этих характеристик.
Коэффициенты очистки имеют следующие значения: по одновалентным ионам Na+, K+, Cl-, NO3- равные -, а по двухвалентным Ca2+, Mg2+, SO42- более 100.

Очищение воды в мембранных установках часто называют обессоливанием воды. Суть этого процесса заключается в уменьшении содержания в ней растворенных солей. Обессоливание называют также деионизацией, или деминерализацией. Для морских и засоленных (солоноватых) вод такой процесс называют опреснением.

Более глубокое обессоливание (по сравнению с другими методами) обеспечивает обратный осмос. Максимальная эффективность этого метода обессоливания обеспечивается обратноосмотическими мембранами, работающими при высоком давлении. Суммарная степень обессоливания зависит от катионного и анионного состава воды и ориентировочно составляет: для низконапорного обратного осмоса 80-95%, для высоконапорного 98-99,9%.

При использовании метода очистки с помощью обратного осмоса происходит практически полная деминерализация воды. Поэтому очищенную воду рационально использовать для приготовления напитков и пищи.

Обратный осмос – наиболее экологически безопасный способ снижения избыточных концентраций фтора, бора, брома, ионов натрия и хлора.
Неорганические вещества очень хорошо отделяются мембраной обратного осмоса. В зависимости от типа применяемой мембраны (ацетатцеллюлозная или полиамидная степень очистки составляет по большинству неорганических элементов 85%-99%.

Мембрана обратного осмоса также удаляет из воды и органические вещества. Органические вещества с молекулярным весом более 100-200 удаляются полностью; а с меньшим – могут проникать через мембрану в незначительных количествах. Большой размер вирусов и бактерий практически исключает вероятность их проникновения через мембрану обратного осмоса.

В то же время, мембрана пропускает растворенные в воде кислород и другие газы, определяющие ее вкус. В результате, на выходе системы обратного осмоса получается свежая, вкусная, настолько чистая вода, что она, строго говоря, даже не требует кипячения.

В последние годы начался настоящий бум в мембранной технологии на основе обратного осмоса. Такие системы востребованы на предприятиях розлива воды, для производства алкогольных и безалкогольных напитков, в пищевой и химической промышленности, в фармацевтике, электронике, на энергетических предприятиях. Обратноосмотические мембраны широко применяются и в быту – системы обратного осмоса позволяют получить чистейшую воду, удовлетворяющую СанПиН «Питьевая вода» и европейским стандартам качества для питьевого водопользования, а также всем требованиям для использования в бытовой технике, системе отопления и сантехнике.