Строительство и архитектура/7.Водоснабжение и канализация

К.т.н. Нечитайло Н.П.

ГВУЗ «Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры», г. Днепропетровск

История и перспективы развития мембранной технологии в процессах обработки природных и сточных вод

Современные тенденции развития промышленности, появление новых современных методов обработки материалов, увеличение объемов потребления полимеров, а соответственно и объемов их производства приводит к увеличению водопотребления и увеличению объема образующихся сточных вод. Строительство предприятий и реконструкция производств осуществляется без надлежащей экологической оценки. Что в свою очередь приводит к ухудшению экологического состояния объектов водопользования. Водные объекты необходимо рассматривать не только как источники утилизации не очищенных или недостаточно очищенных сточных вод, а в первую очередь это источники водоснабжения, использующиеся для хозяйственно-бытовых и производственных нужд. Стоит также отметить, что существенное влияние на состояние водных объектов оказывают высокомолекулярные ПАВы использующиеся в быту и на производстве. Удаление ПАВов из сточных вод механической и биологической очисткой практически не производится, что приводит к их попаданию в объекты водопользования. В свою очередь ПАВы образуют тонкие пленки на поверхности водоемов, что препятствует самоочистке, а также приводит к гибели микрофлоры и фауны.

Сброс в водные объекты высокоминерализованных сточных вод, запрещен, однако существует четкая тенденция к увеличению концентрации солей в воде поступающих на очистные сооружения [1]. Наиболее часто применяемые методы уменьшения минерализации сточных вод это разбавление их другими стоками или чистой водой перед сбросом. Однако это не решает проблем и общий баланс солей поступающих в водные объекты с каждым годом увеличивается. Такое положение приводит к тому, что ряд показателей качества сточных вод, которые отводятся из городов на очистные сооружения от населения и промышленных предприятий имеют значения превышающие ПДС. Величины этих показателей практически не претерпевают изменений в процессе механической и биологической очистки городских сточных вод на очистных сооружениях, и остаются в очищенной воде в тех же высоких концентрациях.

Если рассматривать современное состояние объектов водопользования то становится очевидным, что при дальнейшем антропогенном влиянии накопление загрязнений приведет к гибели экосистем, что потребует более совершенных и дорогостоящих технологических решений для обработки воды.

Из вышеперечисленного можно сделать следующие выводы: требуется разработка, научное, технико-экономическое и экологическое обоснование технологий позволяющих с наибольшей эффективностью производить локальную очистку сточных вод в местах их образования, до поступления на городские очистные сооружения.

Анализ литературных источников показал, что наиболее перспективными методами обработки сточных вод являются мембранные технологии. Данные технологии позволяют с наименьшими эксплуатационными затратами и высокой эффективностью получать воды практически любого качества. Что касается обработки природных минерализованных вод в научно-технической литературе имеется достаточно сведений. Также видно, что в последнее время начали уделять внимание обработке промышленных сточных вод при помощи мембран. Однако, подбор необходимых технологий предподготовки воды, а также выбор мембран для обработки воды часто носит экспериментальный характер, не имеет достаточной научной и экспериментальной базы, что в свою очередь тормозит развитие обработки природных и сточных вод при помощи мембран [2,3,4].

В истории мембранной науки четко отслеживаются два этапа: научный и промышленный. Первая научная публикация по мембранным методам разделения принадлежит аббату и ученому Жану Антуану Нолле, который изучал причины вскипания жидкостей и поставил серию экспериментов со свиными пузырями, примененными им в качестве мембран [5]. В экспериментах Нолле было показано, что мембрана из свиного пузыря непроницаема для этанола, но проницаема для воды. Однако Нолле не применил непосредственно мембрану для разделения смесей. Впервые это сделал Дютроше (R.J.H. Dutrochet), который опубликовал в 1827 году результаты исследований, где он использовал как органические, так и неорганические мембраны для разделения жидкостей [6]. Далее последовала работа, изданная в Цюрихе в 1851 г. «Эксперименты по диффузии через мембрану двух солей» [7], в которой было установлено, что потоки массы не пропорциональны разности концентрация, а обратно пропорциональны толщине мембраны. К основополагающим работам мембранной технологии также можно отнести работы Томаса Греема [8], он изучал законы диффузии газов и мембранные методы разделения их смесей. В последствии в Лейпцигском университете Вальтером Нерстом была создана теория диффузионного потенциала, которая легла в основу теории мембранного потенциала [9].

Первая промышленная мембрана произведенная для промышленного применения, была мембрана, разработанная фирмой Сорториус в Германии на основании публикации [10]. Однако мембранные технологии являются достаточно молодыми. Изучение свойств мембран началось во второй половине ХХ в. Это связано с развитием химической промышленности и возможности получения стабильных по своим характеристикам мембран.

Из всего многообразия мембранных технологий наиболее перспективными, простыми и доступными являются рулонные мембраны из ацетатцеллюлозы и керамики, что позволило им получить наиболее широкое распространение. Рекомендации предоставляемые производителями позволяют сделать выводы, что все многообразие ацетатцеллюлозных мембран различных марок можно разделить на пять-шесть видов по способности задержания и получения чистой воды. Однако существующие расчетные программы носят рекомендательный характер и не позволяют получать достаточно четкие предварительные результаты.

Также малоизученны процессы концентрирования сточных вод с дальнейшим их использованием в производственных циклах, с целью оборотного водоснабжения.

Наиболее широкое распространение мембранные технологии получили в Японии, США, Франции, Германии и Китае. Самыми крупными производителями ацетатцеллюлозных мембран для ультра-; нано-; гиперфильтрации являются компании Osmonics и Hydrаnautiсs (США). Специалистами этих компаний разработано условное деление мембран для применения на водах с различной минерализацией и селективностью, которое и стало применяться различными производителями как эталонное для выпускаемых мембран. К крупным производителям мембран для барометрических процессов могут быть отнесены: Fluid System; Du_Роnt; Тоуоbо; Nitto; Ingo и д.р. [3.4].

Мембранные методы разделения основаны на свойствах полупроницаемых мембран (мембрана имеет специфические свойства задерживать одни вещества и пропускать другие) проходящие при создании разностей давлений с обеих ее сторон.

С физической точки зрения баромембранные процессы можно разделить условно:

- микрофильтрационные, рабочий диапазон разделения 0,08-2,0 мкм, рабочее давление 7-100 кПа;

- ультрафильтрационные 0,005-0,2 мкм, 70-700 кПа;

- нанофильтрационные 0,001-0,01 мкм, 500-1000 кПа;

- гиперфильтрационные или обратноосмотические 0,0001-0,001 мкм, 850-7000 кПа [3,4,11].

Таким образом, проблемы обработки природных и сточных вод методами ультра-; нано-; гиперфильтрации на полимерных и керамических мембранах достаточно сложные. Проблема предподготовки воды перед мембранами является также актуальной и носит первостепенный характер. Решение задач по обработке сточных и природных вод при помощи мембран не возможно без проведения экспериментальных исследований с использованием аналитической базы применяемой в физике и химии. Это позволяет сделать вывод, что существующие технические методы не могут быть применены без дополнительных исследований. Поэтому разработка технических решений и технологий по предподготовке и обработке природных и сточных вод мембранными технологиями с целью повышения качества питьевой воды, а также построения малоотходных оборотных циклов носит актуальный характер, что в свою очередь позволит понизить антропогенное влияние на источники водоснабжения, а соответственно улучшить экологическую обстановку.

ЛИТЕРАТУРА

1. Юрчевский Е.Б., Первов А.Г., Андрианов А.П., Пичугина М.А. Мембранные установки в системах водоподготовки электрических станций // Водоснабжение и санитарная техника, 2009,- №10 с.43-50.

2. Кочаров Р. Г. Теоретические основы обратного осмоса. Учебное пособие – М: РХТУ им. Д.И. Менделеева 2007, - 143 с.

3. Брик М. Т. Энциклопедия мембран. – К.: Киево-Могилянская академия, 2005, - 660 с.

4. Орлов Н.С. Промышленное применение мембранных процессов. Учебное пособие – М: РХТУ им. Д.И. Менделеев, 2007, – 226 c.

5. Nollet J.A. Lecons de physique-experimental. – Paris: Hippolyte-Louis Guerin, 1748.

6. Dutrochet R.J.H. // Annales de Chemie et de Physique. – 1827. – V. 35. – P. 393– 400.

7. Fick A. Poggendorff’s Annalen der Physik und Chemie. – 1855. – Bd. 94. – S. 59–86.

8. Волков В.А., Вонский Е.В., Кузнецова Г.И. Выдающиеся химики мира. – М.: Высш. школа, 1991. – 656 с.

9. Nernst W., Riesenfeld E.H. // Ann. der Physik. – 1902. – Bd. 8. – S. 600.

10. Zsigmondy R., Bachmann W., Z. Anorg Chem.-1918- S. 119

11. Запольский А.К., Мішкова-Клименко Н.А., Астрелін І.М., Брик М.Т., Гвоздяк П.І., Князькові Т.В. Фізико-хімічні основи очищення стічних вод: Підручник / Під ред. А.К. Запольского. – К., Лібра, 2000. – 552 с.