В предыдущих постах были рассмотрены принципы работы мембранной технологии обратного осмоса, его преимущества и недостатки, особенности эксплуатации. В заключении расскажем о том, где находит применение эта технология и почему ее целесообразно использовать взамен других методов очистки воды.
Область применения обратного осмоса довольно обширна: это питьевое и техническое водоснабжение, глубокое обессоливание воды, опреснение морских вод, очистка и доочистка самых разных видов сточных вод, дренажных вод полигонов ТБО и т.д.
Начнем с самого очевидного: обессоливание и опреснение морских и солоноватых вод. В течение многих десятилетий обратный осмос уверенно завоевывал лидирующую позицию в этой сфере, и сегодня его доля составляет более двух третей в мировом рынке опреснения. Примерно четверть установленной мощности приходится на термические методы: многоступенчатые испарительные установки мгновенного вскипания и многоступенчатые дистилляционные установки. Оставшиеся чуть менее 7% делят другие методы обессоливания: солнечное опреснение, электродиализ, прямой осмос, ионный обмен и прочие. Около половины мощности всех установок приходится на страны Ближнего Востока и Северной Африки.
Приведенные цифры говорят сами за себя: обратный осмос с начала 21-го века составляет безусловную конкуренцию термическому выпариванию, которое лежало в основе большинства сооружаемых систем опреснения в прошлом столетии. Тем не менее испарительные установки за прошедшие годы также совершенствовались, и при наличии доступных и дешевых источников тепла (например, атомная энергия) их использование будет экономически более выгодным, чем опреснение обратным осмосом.
Устойчивая тенденция к переходу на возобновляемые источники энергии вносит свои коррективы в расклад перспективных технологий обессоливания. Здесь наиболее востребованы три источника энергии: тепловая и световая энергия солнца и ветровая энергия. Первый источник используют уже достаточно давно для непосредственного термического опреснения, также тепловую энергию возможно преобразовывать в механическую или электрическую. Два остальных возобновляемых источника электроэнергии проще и целесообразнее всего направить на питание насосов мембранных опреснительных установок, что и дает им дополнительные конкурентные преимущества. Сама технология опреснения принципиально здесь не меняется – различие состоит только в источнике энергии.
Вторая общепризнанная сфера «деятельности» обратного осмоса – промышленное обессоливание, где основную конкуренцию ему составляет ионный обмен. Очень широкий спектр производств требует обессоленную или деионизированную воду, плюс к этому весомый сегмент рынка занимает теплоэнергетика. Борьба традиционных и мембранных технологий шла с переменным успехом, но в настоящее время и здесь обратный осмос обосновался «всерьез и надолго».
Выбор, что лучше – ионный обмен или осмос, стоит и сейчас. Грубые экономические подсчеты (см. рисунок) показывают, что при обессоливании маломинерализованной воды ионный обмен оказывается дешевле. Обратный осмос выигрывает у ионного обмена по массе и габаритам, у него гораздо меньше количество потребляемых реагентов и объем солевых стоков. Ионообменные установки привычнее в эксплуатации, более терпимы к погрешностям в эксплуатации и качеству предочистки, дешевле по капитальным затратам. Кроме того, современные технологии ионного обмена с противоточными фильтрами могут успешно конкурировать с обратным осмосом. И вот здесь как раз и наступает некое равновесие преимуществ и недостатков: переход на противоточные фильтры повышает требования к качеству эксплуатации и предочистки, и многие описанные выше преимущества ионного обмена нивелируются.
Важно отметить, что для получения глубоко деионизированной воды одним обратным осмосом обойтись никак не получится: на финальной стадии очистки стоит либо ионный обмен, либо электродеионизация. Если же полное удаление всех солей не нужно, одно- или двухступенчатая обратноосмотическая установка обеспечит снижение общего солесодержания до 2-10 мг/л.
Подводя итог, следует отметить, что при строительстве новых энергетических блоков и при реконструкции существующих цехов химводоочистки в последнее время предпочтение отдается применению именно мембранных методов, часто в той или иной комбинации с ионным обменом.
В питьевом водоснабжении ситуация с обратным осмосом куда сложнее и многограннее. Хорошие идеи часто компрометируются неправильным и неуместным внедрением или плохой эксплуатацией.
В случае с повышенным солесодержанием исходной воды преимущества обратного осмоса достаточно очевидны, особенно для небольших потребителей. Например, в удаленный вахтовый поселок никто не будет возить тонны кислоты и щелочи, а лишней энергии или топлива для дистилляционной установки также может не быть.
Для пресных поверхностных или подземных водоисточников стимулом к применению обратного осмоса или нанофильтрации служит универсальность мембранных методов в отношении удаления большинства загрязнений. Например, для очистки подземных вод обычно используется обезжелезивание с аэрацией и фильтрованием, а при повышенной жесткости – реагентные или ионообменные методы умягчения воды. Ионный обмен требует больших объемов реагентов и образует высокоминерализованные стоки, что создает проблему их утилизации. Если к железу и ионам жесткости добавляется повышенное содержание ионов аммония, бора, брома, лития, мышьяка, нитратов, стронция, фторидов или других микроэлементов, то технологическая схема получения питьевой воды значительно усложняется. Удаление из воды многих из перечисленных веществ представляет нетривиальную задачу, особенно для малых потребителей. В таких случаях обратный осмос может удалить большинство загрязнений в одну ступень без использования дорогостоящих загрузок фильтров и реагентов. В ряде ситуаций нет необходимости обрабатывать весь поток воды, достаточно очистить ее часть так, чтобы в смеси с оставшейся частью неочищенной воды уровни всех компонентов были ниже предельно допустимых по санитарным нормам. Второй вариант – использование нанофильтрации для обработки всего потока исходной воды. В обоих случаях мы с минимумом затрат получаем воду, далекую от обессоленной и содержащую достаточное количество минеральных компонентов.
Мембраны могут легко справиться и с удалением железа, находящегося в двухвалентной форме, и хотя его наличие не рекомендуется в воде, подаваемой на обратноосмотические установки, для небольших потребителей (частные дома, микропредприятия) такое решение оказалось оправданным, так как еще сильнее упростило схему водоподготовки и ее эксплуатацию.
Тем не менее, несмотря на очевидное преимущество мембранных технологий, ошибки при проектировании и эксплуатации зачастую сильно «портят репутацию» обратного осмоса.
Во-первых, это вынужденное использование реагентов (ингибиторов) сторонних производителей, выбираемых не по качеству, а по цене и формальному соответствию действующего вещества, что приводит к ускоренному загрязнению мембран кристаллическими отложениями.
Во-вторых, это несвоевременное проведение химических промывок и их неэффективность.
В-третьих, это нарушение установленного гидравлического режима (соотношение фильтрата и концентрата, рабочее давление), например, из-за падения давления в линии подвода исходной воды к установке. Непродуманное проектирование может выражаться и в занижении производительности установки, из-за чего она работает круглосуточно и часто выходит на химическую регенерацию, и в большом объеме сброса концентрата, который впоследствии может оказаться неприемлемым для заказчика, и в неправильной предочистке, а также в повсеместном использовании обратного осмоса там, где нанофильтрация могла бы быть экономически более эффективной из-за ее более высокой производительности и низкой склонности к осадкообразованию.
Суммарно все это приводит либо к переоценке возможностей мембранных технологий и последующему разочарованию, либо изначально к негативному отношению к ним. А вместе с тем, как и в любом деле, связанном со сложными технологиями, грамотный подход позволяет получить желаемый результат и избежать потерь.