Доочистка московской водопроводной воды: применение мембранных технологий

ДООЧИСТКА МОСКОВСКОЙ ВОДОПРОВОДНОЙ ВОДЫ: ПРИМЕНЕНИЕ МЕМБРАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

MEMBRANE TECHNOLOGIES FOR MOSCOW TAP WATER

POST-TREATMENT

А.П. Андрианов A.P. Andrianov

МГСУ

На основе анализа существующих проблем качества водопроводной воды и требований различных категорий потребителей определены оптимальные области применения мембранных технологий для доочистки воды из московского водопровода.

Based on analysis of tap water quality drawbacks and requirements of different kinds of consumers the optimum fields of application of membrane techniques for Moscow tap water post-treatment were defined.

Проблема правильного выбора и эксплуатации систем доочистки водопроводной воды по-прежнему остается актуальной, в первую очередь это относится к бытовым водоочистным устройствам (фильтрам). Для рядового потребителя выбор осложняется тем, что производители, как правило, либо намеренно искажают информацию о характеристиках водоочистных устройств, либо указывают усредненные данные об эффективности и ресурсе фильтра, в то время когда качество очищаемой воды может существенно различаться. Более того, практика показывает, что представления большинства потребителей о существующих проблемах качества водопроводной воды и методах ее доочистки довольно далеки от мнений специалистов. Для потребителя одним из основных стимулов к приобретению установки или фильтра для очистки воды является субъективная оценка качества водопроводной воды у себя в квартире и на работе. Так, например, наличие накипи в чайнике часто ассоциируется с плохим качеством воды, что чаще всего не соответствует истине.

Области применения и характеристики систем очистки воды, прежде всего, определяются составом исходной (в нашем случае - водопроводной) воды и требованиями к качеству очищенной воды. В условиях г. Москвы системы доочистки предназначены для обработки водопроводной воды, которая должна отвечать требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01, а также дополнениям №3 ГН 2.1.5.1093-02 (к ГН 2.1.5.689-98) и №1 ГН 2.1.5.2280-07 (к ГН 2.1.5.1315-03), то есть воды питьевого качества.

Прежде всего рассмотрим, какие могут возникать проблемы с качеством водопроводной воды в таком мегаполисе, как Москва, и что не устраивает жителей, пользующихся водой из крана для различных хозяйственно-питьевых нужд.

Часто потребители жалуются на неприятные запахи - хлорный, земляной, навозный и т.п. (преимущественно в весеннее время года); изменение вкуса (привкуса) воды; наличие цвета - ржавая, желтая, мутная вода (как правило, после проведения ремонтных работ внутри здания или на наружной водопроводной сети); наличие частиц,

песка, окалины и т.д. Наиболее распространенны жалобы населения на запах воды, железо, ржавчину и ржавую воду и просто на неудовлетворительное качество питьевой воды (от 60 до 85 % всех жалоб, регистрируемых Мосводоканалом) [1].

Согласно приведенным в [1, 5, 7] данным, а также усредненным сведениям о качестве водопроводной воды, публикуемым на официальном сайте ГУП «Мосводока-нал» [2], следует, что вода, выходящая со станций водоподготовки, в течение всего года по всем показателям отвечает требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01. Исключение составляют единичные случаи, связанные с периодическим повышением остаточного алюминия и хлороформа в очищенной воде. Необходимость применения увеличенных доз хлорсодержащих реагентов в периоды повышенной эпидемиологической опасности (жаркое время года, аварийные сбросы сточных вод в водоисточник) также может привести к превышению содержания тригалометанов в питьевой воде.

Следует отметить, что на московских станциях водоподготовки постоянно и весьма результативно ведутся работы по совершенствованию технологии очистки воды, направленные, в частности, на решение таких важных задач, как снижение концентрации хлороформа и остаточного алюминия, повышение ее бактериологической безопасности [5, 7]. Тем не менее, без масштабной реконструкции водопроводных очистных сооружений с переводом их на озоно-сорбционную технологию представляется проблематичным обеспечение в течение всего года содержания в очищенной воде алюминия и хлороформа ниже значений ПДК (по ГН 2.1.5.1093-02, ГН 2.1.5.2280-07).

Однако применительно к московскому водопроводу, главная проблема остается в возможном ухудшении качества питьевой воды в процессе ее транспортировки потребителю. Это может быть вызвано следующим причинами:

- остаточные содержания (ниже ПКД) взвешенных веществ, алюминия, железа, микроскопических водорослей могут образовывать рыхлые отложения на стенках трубопроводов, которые периодически выносятся потоком воды и попадают к потребителю;

- в стальных трубах при взаимодействии металла с водой образуются отложения или продукты коррозии в виде соединений железа, что вызывает ухудшение качества воды по мутности, цветности, общему железу, в воде может присутствовать окалина, кусочки ржавчины; особенно это проявляется при резких изменениях скорости воды в трубопроводах, гидроударах, временном опорожнении трубопроводов;

- при длительном пребывании воды в распределительной сети, что сопровождается снижением величины остаточного хлора до крайне низких значений (вплоть до 0,1 мг/л), возможно развитие микробиологических загрязнений; повышение температуры воды (в летний период) значительно ускоряет этот процесс;

- также при длительном пребывании воды в водопроводной сети возможно появление затхлого запаха, помутнение воды, а также некоторое повышение концентрации хлороформа за счет продолжительного контакта воды с хлором;

- при авариях, нарушении целостности труб, неисправности арматуры и неправильной эксплуатации водопроводной сети возможно загрязнение водопроводной воды, подмешивание горячей воды в холодную.

Таким образом, целью доочистки водопроводной воды, во-первых, является улучшение ее потребительских качеств (умягчение, удаление привкусов и запахов, в т.ч. «хлорного», более глубокое удаление вредных органических и неорганических примесей), а во-вторых, - нейтрализация возможного ухудшения качества воды после ее нахождения в распределительной сети города.

В настоящее время существует огромное количество водоочистных устройств, значительно отличающихся по стоимости, конструкции, производительности, техно-

логии и глубине очистки. В последнее десятилетие стали довольно популярны мембранные системы доочистки водопроводной воды, преимущественно установки обратного осмоса [3, 4, 6]. Из представленного на современном рынке стандартного бытового водоочистного оборудования системы на основе обратного осмоса остаются самыми престижными и дорогостоящими, то есть и продавец, и покупатель подразумевают под этим наилучшую эффективность по удалению всех возможных загрязнений и удобство эксплуатации. Существуют также установки, где для доочистки воды используется ультрафильтрационная мембрана.

Принцип действия баромембранных методов заключается в том, что вода, содержащая растворенные и нерастворенные примеси, продавливается через полупроницаемую перегородку (мембрану) под действием давления. Содержащиеся в воде примеси задерживаются на мембране и затем в виде концентрата сбрасываются в канализацию. Высокая степень очистки воды на мембранах обеспечивается благодаря малому размеру их пор. Материалом для изготовления мембран являются различные полимеры, керамика, металлокерамика.

Ультрафильтрационные мембраны имеют поры размеров 0,005 - 0,1 мкм и задерживают взвешенные и коллоидные вещества, бактерии, споры и вирусы, фито- и зоопланктон, высокомолекулярные органические соединения. Ультрафильтрацию целесообразно использовать как эффективную замену тонкой механической фильтрации в составе многоступенчатых систем доочистки водопроводной воды.

Обратноосмотические мембраны задерживают 90 - 99% растворенных в воде солей и органических соединений. Их использование позволяет решить многие задачи доочистки московской водопроводной воды, за исключением глубокого удаления низ-комолекуляных органических соединений и запахов [3]. Так как обратноосмотические мембраны глубоко обессоливают воду, то на линии очищенной воды ставится специальный патрон-минерализатор, обогащающий воду нужными солями, в результате чего получается «искусственная» вода, что вызывает сомнение в рациональности такого подхода к очистке удовлетворительной по солевому составу московской водопроводной воды.

Следует отметить, что хотя вышеописанные мембраны и обладают обеззараживающим эффектом за счет механического задержания всех бактерий и вирусов, они не гарантируют полной стерильности очищенной воды из-за вероятности повторного размножения микрофлоры со стороны фильтрата в мембранных элементах, в накопительной емкости и шлангах и из-за возможных микропротечек через внутренние уплотнения корпусов мембранных аппаратов.

Рассматривая области применения бытовых систем доочистки воды, следует выделить из них две основные: вода для питьевых нужд и приготовления пищи и вода для хозяйственно-бытовых нужд.

При доочистке воды для питьевых нужд решаются следующие задачи:

- удаление всех взвешенных веществ;

- удаление железа во всех формах;

- снижение запахов и привкусов, в том числе удаление остаточного хлора;

- снижение содержания тяжелых металлов, основных органических примесей антропогенного происхождения, продуктов хлорирования и озонирования воды;

- удаление нефтепродуктов;

- обеззараживание воды (необязательная функция, в большинстве случаев достаточно обеспечить отсутствие повторного загрязнения очищенной воды в водоочистном устройстве).

С этими задачами прекрасно справляются нанофильтрационные мембраны, которые близки к обратноосмотическим, но имеют более крупные поры, задерживающие преимущественно многовалентные ионы. При использовании нанофильтрационных мембран солесодержание воды снижается на 40-80%, а не на 90-99%, как при обратном осмосе. При доочистке московской водопроводной воды их целесообразно применять для снижения содержания хлорорганических соединений - продуктов хлорирования воды, а также для умягчения воды (для котельных, водонагревателей, оборудования столовых и кафе и т.п.). При приготовлении питьевой воды умягчать московскую воду нет необходимости, так как она имеет жесткость 2,0 - 5,5 мг-экв/л [2], близкую к оптимальной для человека.

Эффективным и простым методом удаления запахов, привкусов, побочных продуктов хлорирования и озонирования, тяжелых металлов, органических примесей антропогенного происхождения является сорбция. В бытовых фильтрах наиболее применяемым сорбентом является активированный уголь. Этот метод, благодаря своей простоте, универсальности и относительной дешевизне остается практически незаменимым в домашних системах водоочистки. Слабой стороной сорбционных фильтров является отсутствие возможности точно спрогнозировать или измерить момент исчерпания их сорбционной емкости. При длительной эксплуатации угольных фильтров в них возможно размножение бактерий, поскольку хорошо развитая поверхность загрузки из органического углерода представляет отличную среду для развития анаэробных микроорганизмов. Эффективность и безопасность применения сорбционных фильтров гарантируется главным образом своевременной заменой картриджа с сорбционной загрузкой [1].

Нанофильтрационные системы имеет смысл использовать для очистки воды на всё здание (жилой дом, офис, школу, детский сад и т.д.). Здесь преимущество мембран заключается, во-первых, в том, что они в одну ступень приготовляют воду высокого качества, а во-вторых, не требует частого обслуживания и замены, как сорбционные фильтры. Мембранные установки можно дополнить сорбционными фильтрами, но уже только для удаления неприятных запахов. Эти фильтры будут работать уже на очищенной мембранами воде, поэтому они могут быть небольшого размера, но при этом их ресурс будет весьма велик.

Доочистка водопроводной воды для хозяйственно-бытовых нужд, прежде всего, необходима для продления срока службы сантехники и бытовых приборов. Для этого из воды должны быть удалены крупнодисперсные примеси, нерастворенное железо (продукты коррозии трубопроводов), частично или полностью удалены мелкодисперсные примеси.

С решением этих задач успешно справляются картриджные фильтры и ультрафильтрационные мембраны. Первые достаточно просты и экономичны (стоимость фильтра в сборе в зависимости от типа и производительности составляет от 300 до 3000 руб., сменного элемента - от 70 до 1000 руб.), однако требуют частой замены фильтрующих элементов. Мембранные установки стоят существенно дороже (от 20 до 30 тыс. руб.), но позволяют получить более высокий эффект очистки воды и не требуют обслуживания в течение нескольких лет. Затраты на эксплуатацию ультрафильтрационной установки состоят в замене мембран, производимой не чаще, чем один раз в 5 лет, и составляют примерно 30 - 40 % от стоимости установки. Если указанные факторы являются решающими для потребителя покупка ультрафильтрационной установки для доочистки всего расхода холодной и горячей воды в квартире вполне оправдана.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что использование мембранных технологий для доочистки московской водопроводной воды целесообразно при обработке воды для хозяйственно-бытовых нужд в квартирах (ультрафильтрация) и в системах водоснабжения жилых и общественных зданий (нанофильтрация). Для приготовления питьевой воды предпочтительнее использовать фильтры с сорбционными загрузками. Исключение может представлять умягчение питьевой воды, например, для кофема-шин: здесь нанофильтрационные мембраны - наилучшее решение.

Рис. 1. Мини-станция Рис. 2. Мембранная установка Рис. 3. Система улучшения

подготовки высококачест- кафе (очистка воды для приготов- качества водопроводной венной питьевой воды ления горячих напитков) воды в городской квартире

Литература

1. Андрианов А.П., Журба М.Г. Условия безопасного применения бытовых систем доочистки питьевой воды // Питьевая вода. 2009. №6 (54), стр. 2-18.

2. Официальный сайт ГУП «Мосводоканал»: http://www.mosvodokanal.ru/

3. Первов А.Г. Домашние мини-системы обратного осмоса и нанофильтрации: анализ современных технологий // Сантехника. Отопление. Кондиционирование. №12, 2005, стр. 26-30.

4. Первов А.Г. Чистая вода в ванной комнате // Кто построит дом. №11, 2004, стр. 83.

5. Поршнев В.Н., Благова О.Е. Некоторые аспекты управления качеством воды. // Водоснабжение и сан. техника, 2007, №7, часть 1, стр. 25-28.

6. Хозяйственно-питьевое водоснабжение в городской квартире // Кто построит дом. №10, 2004, стр. 79.

7. Храменков С.В., Поршнев В.Н., Привен Е.М. Система водоснабжения Москвы: современное состояние и перспективы развития. // Водоснабжение и сан. техника, 2007, №7, часть 1, стр. 2934.

Ключевые слова: бытовой фильтр; водоподготовка; водопроводная вода; качество воды; мембрана; нанофильтрация; обратный осмос; очистка воды; питьевая вода; сорбционный фильтр; ультрафильтрация; хлороформ

Keywords: activated carbon filter; chloroform; house water filter; membrane; nanofiltration; reverse osmosis; tap water; ultrafiltration; water treatment; water quality

Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ»