Технология обратного осмоса прочно вошла в современную практику водоподготовки и доочистки сточных вод. Сегодня у специалистов нет сомнений в эффективности и целесообразности применения этого мембранного метода для опреснения, обессоливания и доочистки воды от различных примесей. Более того, обратный осмос и нанофильтрация могут применяться и для более широкого спектра задач – вопрос заключается только в обосновании конкретных технологических решений и сравнении с альтернативными методами.
При проведении процесса обратного осмоса растворенные вещества (например, ионы солей) задерживаются мембраной, а молекулы воды проникают через мембрану. Этот поток называют фильтрат или пермеат. Все, что задержано мембраной, удаляется с частью потока исходной воды из мембранного аппарата – концентратом (или ретентатом). Без сброса концентрата обратный осмос, в отличие от ультрафильтрации, работать не может. Если не отводить наружу задержанные мембраной соли, концентрация их будет расти, и они будут кристаллизоваться и выпадать в осадок на ее поверхности. Еще одна особенность – это наличие осмотического давления, которое противодействует переносу воды через мембрану и которое надо преодолевать при обессоливании обратным осмосом. Для пресных и маломинерализованных вод оно не так ощутимо, но при опреснении высокоминерализованных и морских вод достигает десятков атмосфер.
Изначально процесс обратного осмоса разрабатывался для опреснения подземных и морских вод. История его промышленного применения начинается с 60-х годов прошлого столетия. Тогда его отличительной чертой было высокое давление – 50-60 атм. Это было обусловлено несовершенством мембран (их низкой проницаемостью) и выливалось в значительную стоимость насосов, трубопроводов, арматуры. Впоследствии прогресс в области производства мембран привел к созданию низконапорных обратноосмотических мембран, работающих под низким давлением (16 атм и ниже). Снижение величин рабочих давлений привело к значительному удешевлению и упрощению систем обратного осмоса.
В настоящее время обратноосмотические установки широко используются для обессоливания воды, вытесняя традиционные методы – ионный обмен и термическую дистилляцию. Невысокая стоимость и простота мембранных систем сделали метод обратного осмоса конкурентоспособным с традиционными установками водоподготовки.
Действительно, в базовом варианте достаточно иметь насос, мембранный элемент в корпусе, некоторое количество труб с арматурой, манометр; сразу после сборки обратноосмотическая установка готова к работе. Уже через несколько десятков секунд после подачи воды и включения насоса на выходе будет обессоленная вода! Быстрая настройка с помощью одного или двух вентилей сводится к установлению требуемого давления и соотношения потоков концентрата и фильтрата. Мембрана может обеспечивать потребителя очищенной водой в течение довольно длительного времени, не требуя никакого обслуживания.
Конечно, в действительности дальше начинаются нюансы эксплуатации: в зависимости от качества исходной воды, соотношения расходов концентрата и пермеата, количества часов наработки в день и других факторов, в такой примитивной установке и без обслуживания мембрана может проработать и пару недель, и пару лет до отказа. В большинстве случаев необходимо добавлять в исходную воду антискалант, предусмотреть схему предочистки, следить за изменением производительности и рабочего давления, проводить химические промывки мембранных элементов и т.д., и т.п. – все, как и для любого другого высокотехнологичного метода очистки воды. Тем не менее, простота сборки мембранных установок малой и средней производительности, не требующая особых инструментов и специального грузоподъемного оборудования (в отличие, например, от монтажа стальных ионообменных фильтров диаметром 1,6 м), и высокая готовность установки к запуску после сборки выгодно отличает обратный осмос от других технологий обессоливания.
Кроме того, есть и другое немаловажное преимущество – это универсальность, ведь вместе с растворенными солями обратный осмос способен убирать из воды практически все известные примеси: тяжелые металлы, фтор, бор, нитраты, пестициды, хлорорганические соединения, природную органику, обуславливающую цветность и окисляемость воды, бактерии и вирусы и многое другое.
Эффективность в снижении общего солесодержания воды у некоторых типов мембран достигает 99,8%. Конечно, далеко не все примеси воды извлекаются обратным осмосом одинаково эффективно: небольшие по размеру ионы лития, фтора, а также незаряженные низкомолекулярные органические соединения (хлороформ) задерживаются мембраной гораздо хуже, а некоторые (растворенные газы, фенол и его производные) проходят через нее вообще беспрепятственно.
В то же время, «крупные» ионы, имеющие заряд больше единицы (ионы кальция, стронция, железа, хрома, сульфат-ионы, фосфаты и другие), прекрасно задерживаются даже низкоселективными мембранами. Эта особенность используется при очистке воды с помощью нанофильтрации – разновидности обратного осмоса, в которой используются мембраны с порами более крупного размера. Такие мембраны достаточно хорошо (на 80-90%) задерживают многовалентные ионы и высокомолекулярные органические вещества, но слабо (на 30-50%) задерживают одновалентные ионы (натрий, хлориды, бикарбонаты). Нанофильтрацию используют для умягчения воды (снижения содержания кальция и магния), удаления железа, марганца и стронция из воды, снижения цветности и окисляемости. При этом на выходе мы имеем не обессоленную воду, а воду с частично сниженным солесодержанием.
Применение низконапорного обратного осмоса с рабочим давлением 7-10 атм и нанофильтрации, работающей при давлении 3-6 атм, положительно отражается на энергопотреблении станции очистки воды и общих эксплуатационных затратах. Еще одна особенность нанофильтрационных мембран – это меньшая склонность к отложению осадков малорастворимых солей и, следовательно, меньшие затраты на антискалант и химические промывки, что важно при эксплуатации установок для питьевого водоснабжения.
Простота применения технологии обратного осмоса и возможность низконапорных обратноосмотических мембран работать при очень низких давлениях используются в бытовых системах очистки воды, устанавливаемых под мойкой на кухне. Они способны производить воду даже при давлении 2 атм, и это при том, что там стоят обратноосмотические мембраны, а не нанофильтрационные. Для работы при более низких давлениях или для производства большего количества воды эти системы оснащаются мини-насосом.
