Ни для кого уже не секрет, что на российском рынке трубопроводов для водоснабжения диаметром внутреннего сечения до 40 мм пальма первенства принадлежит трубам из полимерных материалов.

За последнее время современные технологии в области трубной промышленности совершили большой рывок. Тенденция развития российского рынка инженерных систем свидетельствует об активном вытеснении пластиковыми трубопроводами стальных и в том числе чугунных трубопроводов, обилие которых в настоящее время в стандартной городской застройке является наследием прошлого века. Ни для кого уже не секрет, что на российском рынке трубопроводов для водоснабжения диаметром внутреннего сечения до 40 мм пальма первенства принадлежит трубам из полимерных материалов.

К ним относятся трубы из полипропилена (PP-R), полиэтилена (низкой, средней, высокой плотности), сшитого полиэтилена (PEX), высокотемпературного полиэтилена (PERT), поливинилхлорида (PVC), в том числе хлорированного (C-PVC), полибутилена (PB), акрилонитрилбутадионстирена (ABS), а также ряда экзотических видов полиолефинов. Безусловно, надо иметь в виду, что практически каждый из упомянутых видов пластиков может иметь трубные разновидности, армированные металлом или стекловолокном.

Большой выбор материалов и технологий изготовления труб создают проблему выбора. Что хорошо для индивидуального строительства, часто неприменимо в многоэтажном. Чтобы разобраться в новых технологиях требуется время, а цена неудачного выбора – потеря немалых денег. Ведь трубопроводная система, которую в российских специфических условиях будут использовать массово, должна обладать наилучшим соотношением «цена – качество».

При строительстве, проектировании и эксплуатации трубопроводов необходимо руководствоваться нормами и правилами СНиП 2.04.01-85 «Внутренний водопровод и канализация зданий» и 2.04.05-91 «Отопление, вентиляция и кондиционирование». Трубы, применяемые для горячего водоснабжения, рассчитываются на максимальную рабочую температуру 75°C, а для систем отопления применяют трубы с рабочей температурой 90°C. Рабочее давление до 0,6 МПа. Гарантийный срок эксплуатации – не менее 25лет.

По данным исследований полимерных трубопроводов, проведенным специалистами РХТУ им. Менделеева, полипропилен (PP-R) стал первым материалом, не удовлетворяющим требованиям серийного многоэтажного строительства по следующим причинам:

• Максимально допустимая температура для срока службы в 30 лет не может превышать 70˚С. При таких параметрах, требуется увеличение площади нагревательных приборов на 40% и увеличения объема теплоносителя в системе, что приведет к увеличению диаметров трубопроводов.
• Высокий коэффициент удлинения при нагреве приводит к необходимости устанавливать компенсационные петли, что исключает возможность скрытой прокладки трубопровода, т.е. разводка возможна только в нишах и за фальш-стенами.
• Сварка соединений требует наличия специальных навыков при работе с инструментом и не исключает нарушения технологии монтажа (перегрев, сужение диаметра).
• Разные коэффициенты линейного теплового расширения пластика и вваренной стальной втулки концевых фитингов (для подсоединения других частей системы через трубную резьбу) неизбежно приводят к нарушению целостности и, как следствие, к образованию течи.
• Трубы не изгибаются, что увеличивает количество немерных отходов, требует установки лишних соединений и создает неудобства при транспортировке и хранении.
• Трубопроводы из поливинилхлорида (ПВХ) имеют низкий коэффициент линейного удлинения, что позволяет обойтись без компенсационных петель, но при температуре 95˚С срок службы труб из ПВХ составляет 1 год.

Металлопластиковые трубы (PEX-Al-PEX) не применяются в многоэтажном строительстве так как:

• Неоднородность стенки композитных труб типа PEX-Al-PEX (металлопластик), в силу различных коэффициентов линейного теплового расширения, в процессе эксплуатации трубопровода ведет к расслоению составляющих её слоев и, соответственно, для таких труб невозможно рассчитать срок службы.
• Внутренний слой этих труб выполнен из ПЕКСа, но имеет толщину не более 0,8 мм, в отличие от положенных для расчетных нагрузок 2,2 мм, а это ведет к снижению допустимых в системе давлений в 3,5 – 4 раза, т.е. до 2 – 2,5 атм.
• Слой алюминиевой фольги толщиной до 0,4 мм не в состоянии противостоять давлению системы, и это при условии, что произведена идеальная сварка шва, а труба во время монтажа не подвергалась неоднократному изгибанию в одном и том же месте – здесь фольга просто вытянется, нарушится целостность.
• На сегодня не существует клея, который в состоянии сохранить эластичность и противостоять значительным нагрузкам, т.к. коэффициент линейного теплового удлинения полиэтилена в 7-10 раз превышает соответствующий коэффициент алюминия.
• Срез трубы необходимо обработать разверткой, т.к. он деформируется. При изгибании трубы обязательно использование специального оборудования, в противном случае, произойдет сужение условного прохода – он «захлопнется».
• Фитинг должен быть снабжен кольцевидными резиновыми прокладками (иначе не удастся обжать трубу на штуцере), а также диэлектрической прокладкой, предохраняющей контакт алюминиевой фольги и латунного тела фитинга – гальваническая пара.
• Низкая ремонтопригодность – не допускается повторная установка фитинга в одном и том же месте, невозможно произвести замену проложенного в гофре (канале) и впоследствии поврежденного участка трубы без вскрытия конструкции сооружения.

Единственным материалом, способным выдерживать требуемые нагрузки в течение длительного срока службы и обладающим свойствами, отвечающим требованиям, предъявляемым к системам отопления многоэтажных домов, назван молекулярно-сшитый полиэтилен (ПЕКС), у которого:

• Однородность стенки и прочностные характеристики материала позволяют монтировать системы водоснабжения и отопления, включая центральное, в домах повышенной этажности, с расчетным сроком службы не менее 50 лет. При этом допускается применять скрытую разводку, что соответствует современным эстетическим требованиям.
• Способность к восстановлению формы за счет «молекулярной памяти» позволяет восстановить трубопровод после «надлома» (чрезмерного изгиба») и эксплуатировать систему после размораживания.
• Механический обжим фитинга на трубе и «молекулярная память» материала, которая постоянно стремится вернуть стенку трубы к первоначальному положению, делают соединение исключительно надежным на весь срок эксплуатации системы. Допускается вторичная установка фитинга в одном и том же месте.
• Отсутствие уплотнений, диэлектриков или вваренных закладных деталей из разнородных материалов делает соединения исключительно надежными и уменьшает стоимость изделий и систем в целом.
• Разнообразие типов и большая номенклатура фитингов в сочетании с гибкостью и большой длиной намотки бухт позволяют минимизировать количество соединений и отходов трубы.
• Скрытая прокладка эластичного трубопровода в гофре (канале), в соответствии с требованиями СНиП, позволяет производить замену поврежденного участка трубы без вскрытия конструкции стены или пола.
• Гладкая внутренняя поверхность уменьшает коэффициент гидравлических сопротивлений на 25 – 30% и не позволяет твердым частицам «приставать» к стенкам – трубы «не зарастают».

Существует три способа образования трехмерных молекулярных связей, которые удовлетворяют целям промышленного производства: пероксидный (PEX-a), силановый (PEX-b) и радиационный (PEX-c). Прочностные характеристики материалов, в целом, соответствуют нормам ДИН, однако при их детальном изучении выясняется, что трубы, изготовленные из полиэтилена высокой плотности силановым методом, обладают повышенной устойчивостью к температуре и давлению при длительном сроке эксплуатации.

С целью производства и широкого внедрения современных систем полимерных трубопроводов для отопления и водоснабжения в России и СНГ, десять лет назад была создана корпорация Корпорация БИР ПЕКС, которая впервые в России развернула производство труб из молекулярно-сшитого полиэтилена ПЕКС-б на оборудовании и из сырья английского производства. Сейчас на этом предприятии освоено совместное производство фитингов напрессовочного и компрессионного типов по чертежам и под торговой маркой ИГЛ – БИР ПЕКС, осуществляется разработка и производство дополнительных элементов, крепежа, монтажных узлов, коллекторных шкафов и т.д.

Десятилетний опыт эксплуатации в самых высотных зданиях России (в настоящее время до 48 этажей), в элитном и муниципальном домостроении на практике доказали высокие эксплуатационные качества продукции и технологий монтажа трубопроводов систем отопления и горячего водоснабжения от корпорации БИР ПЕКС. В 2007 году системы БИР ПЕКС получили поддержку ЖКХ Республики Татарстан и были рекомендованы Государственным заказчикам министерств и ведомств РТ, Управляющим компаниям и проектным организациям к применению.

В 2010 году трубопроводы из силанольно-сшитого полиэтилена и фитинги марки БИР ПЕКС, включены в Реестр новой техники, применяемой в строительстве (реконструкции) объектов городского заказа г.Москвы и в Московский территориальный строительный каталог (МТСК – 8.18).

Сегодня корпорация БИР ПЕКС объединяет в себе компании, работающие в различных сферах производственной деятельности. Корпорация выполняет функции подрядчика по инженерным работам, инженерному обеспечению зданий и сооружений, кроме того имеет собственное проектное бюро способное выполнить задачу проектирования инженерного обеспечения любого комплекса застройки.

ООО «Компания БИР ПЕКС» предлагает комплексное решение вопросов по проектированию, монтажу и сдаче в эксплуатацию внутренних инженерных систем с выполнением горизонтальных систем отопления, горячего и холодного водоснабжения трубопроводами марки БИР ПЕКС из силанольно-сшитого полиэтилена, обеспечивающих срок службы более 50 лет при рабочем давлении 10 атм. и температурном режиме 70-90˚С.

В России в системах отопления многоквартирных домов до сих пор в подавляющем большинстве случаев используется однотрубная (реже – двухтрубная) система с верхним или нижним контуром разводки. По такой схеме отопительные приборы подключены последовательно, а теплоноситель в каждую квартиру подается по нескольким стоякам, из-за этого жители каждой из квартир высотных домов не могут независимо друг от друга изменять объем и скорость потока теплоносителя в системе отопления, а значит самостоятельно точно регулироватьтеплоотдачу отопительных приборов. В данном случае мы даже не говорим об отсутствии возможности вести независимый учет тепла отдельно в каждой из квартир.

Технические характеристики трубопроводов марки БИР ПЕКС из силанольно-сшитого полиэтилена позволяют проектировать и монтировать принципиально новую схему разводки – горизонтальную.

При применении горизонтальных систем в местах общего пользования прокладываются стальные стояки и на каждом этаже – поквартирные распределительные коллекторы, питающие квартиры, что при сопоставимой стоимости материалов обеспечивает следующие преимущества:

• Реализуется принцип поквартирного учета тепла и расхода воды, тем самым решаются вопросы энерго- и ресурсосбережения.
• Обслуживание и снятие показаний приборов учета осуществляется без доступа в жилые или служебные помещения.
• В сравнении с вертикальными системами разводки значительно сокращается количество стояков, приборов учета, КФРД и т.п.

Настроечный вентиль на обратной ветке системы отопления каждой квартиры обеспечивает необходимое количество тепла и защищает систему отопления от разбалансирования в результате несанкционированного вмешательства жильца при проведении работ по замене приборов отопления, трубопроводов, устройства водяных теплых полов и т.д.

Устройство единых стояков систем отопления, горячего и холодного водоснабжения из из стали обеспечивают их быструю замену без доступа в квартиры и нарушения внутренней отделки.

Горизонтально расположенные трубы из сшитого полиэтилена прокладываются в защитной гофре и могут быть скрыты в конструкции пола (в стяжке) или стены (в штробах), что повышает эстетику и снижает риск их повреждения. При невозможности скрытой прокладки в полу, возможно размещение в специальном плинтусе у пола или коробе под потолком.

Таким образом, система трубопроводов БИР ПЕКС повышает конкурентоспособность готового жилья, отличается высоким уровнем комфорта для конечного потребителя, отвечает последним требованиям и нормативам по энергосбережению, имеет срок службы в 3-4 раза больший, чем стальные системы трубопроводов и более низкие затраты на обслуживание.

Одним из факторов, сдерживающих широкое применение полимерных трубопроводов марки PEX-b (силановая сшивка) служило то, что по самому высокому пятому классу прочности ГОСТ Р 52134-2003, максимальная рабочая температура не может превышать 80˚С для непрерывной эксплуатации в течении 10 лет с давлением до 1,0 МПа. Это связано с тем, что Таблица классов прочности была взята из норм ИСО 15875-2003, которые написаны под стандарты теплоносителя Европы, где рабочая температура теплоносителя не превышает 70˚С. Получалось,что продукция, закладываемая в проект и соответствующая требованиям ГОСТ, не могла соответствовать параметрам теплоносителя, применяемого в России (90˚С или 95˚С).

Трубы БИР ПЕКС проходят сертификацию на соответствие указанному ГОСТу, а также техническим условиям ТУ 2248-03900284581-99 (НИИсантехники), требования которых значительно жестче и соответствуют критериям длительной (более 50 лет) эксплуатации при температуре 95˚С и рабочем давлении в системе 1 МПа. Соответствующие изменения были введены в ТУ после получения результатов исследования РХТУ им. Менделеева касательно повышенной долговечности при высоких температурах эксплуатации для труб из сшитого различными методами полиэтилена.

Начало ХХI века для Московского водопровода ознаменовалось внедрением самых прогрессивных технологий, применяемых в мировом водном секторе. На станциях водоподготовки классическую двухступенную технологию отстаивания и фильтрования стали дополнять методами озонирования в сочетании с сорбцией на активированных углях.

Опыт промышленной эксплуатации озоносорбции - озонирования с последующей сорбционной очисткой на фильтрах с гранулированным активированным углем - показал значительное повышение эффективности очистки воды по органическим загрязнениям, снижение концентрации хлорорганических веществ, остаточного алюминия и запахов в питьевой воде.

Развитием направления модернизации технологий в области очистки природных вод стал ввод в эксплуатацию в декабре 2006 года технологических сооружений, в состав которых впервые в истории российских централизованных систем водоснабжения была включена стадия мембранной ультрафильтрации. Использование новейших технологий в системе централизованного водоснабжения позволяет поддерживать качество питьевой воды, соответствующее нормам не только России, но наиболее развитых стран мира даже в условиях аварийных залповых загрязнений источников водоснабжения.

В мировой практике питьевого водоснабжения мембранные технологии в последние годы начинают занимать лидирующее положение благодаря универсальной способности повышать эффективность очистки по многим группам загрязнений, включая показатели эпидемической безопасности воды. Интерес к мембранным технологиям связан также с обеспечением максимальной компактности и автоматизации при минимуме вводимых в воду химических реагентов и гарантии высокой надежности функционирования сооружений.

Наряду с внедрением новых методов очистки воды постоянно совершенствуются процессы обеззараживания воды. С целью повышения надежности и безопасности производства питьевой воды за счет исключения из обращения опасного вещества – жидкого хлора в 2012 году на всех станциях водоподготовки завершен перевод системы обеззараживания воды на новый реагент – гипохлорит натрия. В связи с ужесточением государственного норматива на содержание в питьевой воде хлороформа проведена целенаправленная работа по оптимизации режимов дезинфекции, в результате чего в московской водопроводной воде концентрация хлороформа снизилась до величин 4 – 22 мкг/л при нормативе 60 мкг/л, что соответствует уровню развитых стран мира.

В условиях плотной городской застройки и заторов на дорогах экономически целесообразно применение бестраншейных методов ремонта и восстановления. На сегодняшний день в Москве применяются самые современные методы, в их числе: нанесение цементно-песчаного покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода, протяжка сплошных полимерных рукавов, полиэтиленовых труб в существующий трубопровод, освоен метод ремонта трубопроводов большого диаметра "труба-в-трубе". Это позволяет вернуть в активную эксплуатацию потерявшие работоспособность коммуникации, увеличить их срок службы минимум на 50 лет, увеличить пропускную способность, а для водопроводных сетей, что особенно важно, сохранить высокое качество транспортируемой воды, снизить количество аварий, минимизировать непроизводительные потери воды.

Описание:

Систем подготовки питательной воды паровых котлов среднего и высокого давления («крышных котельных» и мини-ТЭЦ) для теплоснабжения зданий или городских жилых комплексов (ЦТП) (в комбинации разработанных систем нанофильтрации с системами обратного осмоса).

Современным зданиям – современные технологии водоснабжения!

Разработка новых технологий и аппаратов на основе метода нанофильтрации для систем водо- и теплоснабжения городских зданий

А. Г. Первов , проф., д-р техн. наук, кафедра водоснабжения МГСУ

А. П. Андрианов , канд. техн. наук, кафедра водоснабжения МГСУ

Д. В. Спицов

В. В. Кондратьев , инженер, кафедра водоснабжения МГСУ

Современные темпы развития строительных технологий не всегда идут в ногу с развитием технологий водоподготовки, используемых для санитарно-технического оснащения современных зданий. Применение явно устаревших технологий часто создает помехи строительству. Например, необходимость создания станций доочистки воды в зданиях заставляет решать вопросы размещения, монтажа и эксплуатации (сервисного обслуживания). Поэтому от выбранной технологии зависят не только качество воды, но и габариты сооружений, затраты на монтаж и эксплуатацию, учитывающие объемы сточных вод и воды на собственные нужды.

Традиционные технологии, использующие напорные фильтры с загрузками из песка, угля и ионообменных смол достаточно «громоздки», требуют затрат при их эксплуатации (замене загрузок или их регенерации), образуют стоки при их промывке и регенерации.

Совершенствование систем нанофильтрации позволяет создать оборудование с минимальными весом и габаритами, простотой монтажа и «наращивания» мощности, минимальными затратами на обслуживание, отсутствием реагентов и расходных материалов.

Современная экологическая ситуация способствует более широкому использованию мембранных систем. Это объясняется в первую очередь ужесточающимися требованиями к качеству питьевой воды - содержанием хлорорганических соединений, болезнетворных бактерий, фторидов, нитратов, ионов стронция и т. д. Современные мембраны демонстрируют бесспорную эффективность и универсальность в очистке воды от различных видов загрязнений. Второй главной чертой современных мембранных технологий является их «экологическая» чистота - отсутствие потребляемых реагентов и, соответственно, опасных для окружающей среды сбросов и осадков, создающих проблему их утилизации. Введение платы за пользование водопроводной водой и за сбросы в канализацию заставляет использовать водоочистные системы, потребляющие минимальное количество воды и не имеющие сбросов. Современные разработки систем водоподготовки с применением мембранных технологий позволяют снабжать инженерные системы качественной водой, тем самым обеспечив надежность и качество их работы.

Мембранные процессы ультрафильтрации и нанофильтрации давно привлекают внимание специалистов по водоснабжению благодаря своей «универсальности» - возможности одновременного удаления ряда загрязнений различной природы: биологических (бактерий и вирусов), органических (гуминовых кислот и др.), коллоидных, взвешенных, а также растворимых в ионном виде. Различия в мембранных процессах состоят в уровне очистки воды (проскоку в очищенную воду тех или иных загрязнений), зависящем от размера пор мембран.

Технология нанофильтрации известна достаточно давно и уже начинает применяться в питьевом водоснабжении благодаря эффективному снижению содержания органических соединений (цветности, летучих хлорорганических соединений) и железа, а также жесткости .

Метод нанофильтрации уже широко применяется для очистки поверхностных и подземных вод, в том числе и на крупных городских сооружениях (например, на станциях в Париже - 10000 м 3 /ч и Нидерландах - 6000 м 3 /ч).

Однако до сих пор метод нанофильтрации рассматривается как разновидность метода обратного осмоса со всеми его недостатками: необходимостью тщательной предочистки для предотвращения образования отложений карбоната кальция и осадков органических и коллоидных веществ; высокими эксплуатационными расходами, связанными с дозированием реагентов предочистки, использованием моющих растворов и высокой стоимостью замены мембранных модулей; традиционными мембранными модулями типа «рулон», не отличающимися высокой надежностью. Высокие расходы реагентов и другие эксплуатационные затраты заставляют специалистов пока скептически относиться к использованию нанофильтрации для подготовки воды высокого качества на крупных водоочистных станциях несмотря на бесспорную эффективность в сравнении с «классическими» коагуляционными и окислительно-сорбционными технологиями.

В настоящее время широкие масштабы промышленного внедрения имеет метод ультрафильтрации, который применяется в основном на очистных сооружениях городских водопроводов: с декабря 2006 года - в Москве на Юго-Западной станции (а также на водоочистных станциях Парижа, Лондона, Амстердама, Сингапура, в ряде городов США, Канады).

Однако применение ультрафильтрационных мембран (с размером пор 0,01-0,1 мкм) имеет весьма ограниченную область применения (снижение коллоидных частиц и бактерий) и не универсально при очистке вод различного состава. Поэтому в схемах очистки воды ультрафильтрация используется в сочетании с другими технологиями (коагуляционной и окислительно-сорбционной). Главными достоинствами ультрафильтрации является очень высокая удельная производительность (более 100 л/м 2 ч по сравнению с 35-40 л/м 2 ч у нанофильтрации) и возможность проведения промывки мембран обратным током для удаления с мембран загрязнений.

Разработка новой технологии очистки воды с применением нанофильтрации

Таким образом, целью работы стало изучение возможности преодоления основных недостатков метода нанофильтрации и создание технологии, сочетающей эффективность нанофильтрации и простоту ультрафильтрации.

Предпосылки для создания такой технологии созрели уже давно . Известны способы очистки поверхностных вод с помощью нанофильтрации крупных европейских фирм Norit (Нидерланды) и PCI (Великобритания), использующие специальные трубчатые конструкции, позволяющие снизить осадкообразование и проводить гидравлические промывки со сбросом давления для «срыва» загрязнений с поверхности мембран . Однако аппараты трубчатых конструкций имеют очень малую удельную поверхность мембран и существенно увеличивают объемы установок и их энергопотребление, что в конечном счете выражается в высоких значениях удельных капитальных и эксплуатационных затрат.

Современные мембранные аппараты рулонной конструкции обладают большим преимуществом перед аппаратами с мембранами трубчатой формы в виде полого волокна, используемых в современных ультрафильтрационных установках - это плотность «упаковки мембран» или высокая удельная поверхность мембран на единицу объема аппарата. При одинаковых размерах «стандартных» мембранных модулей (диаметр 200 мм, длина 1000 мм) суммарная поверхность мембран в ультрафильтрационном модуле составляет 18-20 м 2 , а в нанофильтрационном 35-40 м 2 . Более того, стоимость производства рулонного модуля с плоскими мембранами значительно (на 50-60 %) дешевле, чем половолоконного. Поэтому основным направлением работы стало усовершенствование рулонной конструкции с целью повышения надежности работы и «устойчивости» к загрязнениям. Несовершенство конструкции рулонного элемента связано с наличием в нем сетки-сепаратора (рис. 1), являющейся «ловушкой» для загрязнений. Поэтому создание аппаратов с «открытым» каналом без мешающей сетки позволяет избежать накопления загрязнений во время работы и обеспечить возможность проведения гидравлических промывок со сбросом давления . Подбор оптимальных по своим свойствам нанофильтрационных мембран и разработка технологии производства мембранных модулей различных типоразмеров позволили создать безреагентные технологии для ряда случаев очистки воды. Отсутствие реагентов в схеме обеспечивается, с одной стороны, высокой эффективностью мембран в отношении задержания растворенных примесей, с другой - постоянным отводом загрязнений с поверхности мембран благодаря автоматизированным гидравлическим промывкам и поддержанием фильтрующей поверхности мембран «в чистоте».

Благодаря разработанным конструкциям аппаратов и автоматизированным промывкам созданы технологии, позволяющие очищать воду с высоким содержанием взвешенных веществ, железа, жесткости, цветности. В зависимости от состава очищаемой воды (главным образом содержания органических веществ различной природы) выбирается марка мембран с наиболее подходящими селективными свойствами. Для очистки поверхностных и подземных вод были опробованы различные типы мембран, но наибольшую эффективность продемонстрировали новые разработки мембран из ацетата целлюлозы со специальными стабилизирующими добавками. Из-за гидрофильной поверхности мембраны чрезвычайно эффективно задерживают ионы железа, растворенные органические вещества. Кроме того, благодаря поверхностным свойствам ряд коллоидных и органических соединений хуже осаждается на ацетатных мембранах, чем на композитных. Описанные выше положения были доказаны путем всесторонних исследований, описанных в прилагаемых публикациях. Аналогов разработанным аппаратам и мембранам пока нет как у отечественных, так и у зарубежных фирм. Технология получения мембран и производства рулонных элементов с «открытым» каналом также представляет ноу-хау и подробно не раскрывается. Попытки усовершенствовать каналы рулонных элементов проводились рядом авторов давно, однако результаты не были доведены до широкого промышленного внедрения вследствие сложности технологии. В настоящей работе используется технология изготовления, ранее изложенная и запатентованная, но благодаря совместным действиям авторов усовершенствованная и находящаяся в стадии патентования.

Разработанные нанофильтрационные аппараты оказываются конкурентоспособными по стоимости, производительности и режиму промывки с ультрафильтрационными аппаратами, будучи гораздо эффективнее по частным свойствам. На рис. 2 показаны зависимости производительности аппаратов «стандартного» размера от времени при очистке поверхностной воды из реки.

Вследствие потери производительности при образовании на мембранах осадков и необратимого забивания пор взвешенными частицами средняя производительность ультрафильтрационных мембран оказывается на 40-50 % меньше «паспортного», отличаясь на 30-40 % от производительности аппарата с нанофильтрационными мембранами.

Технология доочистки воды из водопровода в городских зданиях

Вода в централизованных водопроводах часто содержит взвешенные коллоидные вещества (например, гидроокись железа), а также бактерии вследствие вторичного загрязнения воды в водоводах. В ряде случаев наблюдается повышенное содержание хлор-органических веществ (во время паводков). Традиционно для удаления взвешенных веществ используются механические напорные фильтры, а для снижения содержания органических веществ и запахов - фильтры с сорбционной загрузкой.

Главными недостатками такого подхода являются: использование достаточно громоздких фильтров (обычно импортных из стеклопластика диметром 0,75-1,2 м и высотой более 2 м); трудности при монтаже фильтров в существующих помещениях; сложности обслуживания и замены загрузок; достаточно быстрое истощение сорбционной емкости угля и необходимость его замены.

В последнее время вместо механических фильтров используются установки ультрафильтрации, позволяющие обеспечить более глубокое удаление из воды коллоидов железа, бактерий и вирусов. Кроме того, мембранные установки компактны, имеют значительно меньший вес и объем по сравнению с механическими фильтрами, что особенно важно при их использовании и размещении в городских зданиях. Однако использование сорбционных фильтров в городских зданиях требует, вследствие ограниченной сорбционной емкости загрузок, достаточно высоких затрат на сервисное обслуживание таких установок.

Применение нанофильтрационных установок позволяет решить проблему удаления органических загрязнений из водопроводной воды без применения сорбционных фильтров и при минимальных эксплуатационных затратах.

Расчеты и исследования показывают, что удаление методом нанофильтрации большинства (свыше 90 %) органических загрязнений позволяет продлить ресурс сорбционных фильтров в 10-20 раз или соответственно уменьшить их объем, ограничившись использованием картриджных фильтров только на случай присутствия в воде запахов в период паводков или аварийных ситуаций на водоисточнике. Кроме того, нанофильтрационные мембраны частично убирают из воды жесткость и щелочность, делая воду пригодной для использования в системах теплоснабжения и горячего водоснабжения, избавляя заказчика от необходимости использования умягчителей и дополнительных расходных материалов (таблетированной соли).

Современные заказчики на городских объектах часто сами формируют дополнительные требования к качеству воды, значительно более жесткие, чем требования существующих международных стандартов ВОЗ и СанПиН, что вызвано наличием в зданиях «особых» потребителей - поликлиник, медицинских оздоровительных центров, предприятий общепита и др.

Так, например, при проектировании систем СТОЗ небоскреба «Федерация» проектировщики «столкнулись» с требованиями по содержанию железа -0,05 мг/л, ГСС (галогенсодержащих соединений) -10 мкг/л (против нормативов ВОЗ: 0,3 мг/л и 200 мкг/л соответственно). Похожие требования оказались решающими при выборе систем нанофильтрации для водоснабжения зданий Центральной тыловой таможни и поликлиники ФСБв Москве в 2002 году (рис. 3, 4).

В настоящей работе проведены исследования по сравнению эффективности снижения в водопроводной воде окисляемости и содержания растворенных органических веществ с использованием систем ультрафильтрации с сорбционной доочисткой и систем нанофильтрации. Качество очищенной воды оценивалось по показателям окисляемости .

Качество воды обобщенно оценивается по характеру кривых светопоглощения, где молекулярному весу и природе органических веществ соответствуют определенные длины волны.

На рис. 5 показаны кривые светопоглощения водопроводной воды, пропущенной через нанофильтрационные мембраны 4 и фильтр с загрузкой из угля 2 и 3. Применение нанофильтрационных мембран 4 позволяет получить воду с низкими показателями окисляемости. При дополнительном использовании сорбционных фильтров после нанофильтрации только для удаления запаха ресурс их увеличивается во много раз. Результаты ресурсных испытаний сорбционного фильтра (определение его сорбционной способности) показаны на рис. 6.

Экономический эффект от применения технологии нанофильтрации определяется сокращением затрат на обслуживание установок доочистки.

Технология очистки воды для целей теплоснабжения и вентиляции

Современное состояние городского строительства требует решения проблем снабжения зданий не только качественной питьевой водой, удовлетворяющей требованиям СанПиН, но в ряде случаев водой для специальных технологических нужд:

подпитка контуров теплосети и отопления;

подпитка контуров оросителей и испарителей систем кондиционирования воздуха;

Подпитка паровых котлов «крышных котельных» для систем теплоснабжения.

В зависимости от требований к качеству подготовленной воды в системах нанофильтрации используются различные типы мембран с различными показателями селективности (солезадерживающей способностью). При использовании мембранных установок для нужд подпитки теплосети и горячего водоснабжения, карбонатный индекс KI очищенной воды должен удовлетворять следующим условиям:

КI=[Са +2 ]· ≤ 2-5,

где , значения концентраций кальция и щелочности, выраженные в мг-экв/л.

Для обеспечения таких требований идеально подходят нанофильтрационные мембраны в сочетании с разработанными мембранными элементами с «открытым каналом», исключающим образование застойных зон в аппаратах и образование в них осадка карбоната кальция, резко снижающего время работы аппарата .

При необходимости получения питательной воды для паровых котлов и контуров систем кондиционирования воздуха требуется вода со значениями жесткости на уровне 0,01-0,02 мг-экв/л. Традиционно для получения глубоко умягченной воды используются двухступенчатые системы Na-катионирования или (в настоящее время) вместо I ступени Na-катионирования - установки обратного осмоса . И в том, и в другом случае схемы глубокого умягчения требуют высоких эксплуатационных затрат (на таблетированную соль, ингибитор, моющие растворы, частое сервисное обслуживание) и решения проблем утилизации регенерационных растворов. При использовании представленных в работе разработок созданы схемы двухступенчатого умягчения (с использованием на I ступени мембранных нанофильтрационных аппаратов) и аппаратов обратного осмоса на II ступени (рис. 7).

Такие схемы позволяют избежать применения реагентов при их эксплуатации и обеспечить длительный (свыше 2500 часов) период безостановочной работы. В ряде случаев целесообразно использовать специально разработанные патроны с порошкообразным ингибитором для повышения надежности систем обратного осмоса.

Для определения эксплуатационных характеристик мембранных схем с использованием аппаратов обратного осмоса и нанофильтрации (определение типов моющих растворов, времени непрерывной работы и др.) разработана специальная компьютерная программа.

Пример сравнения эксплуатационных затрат различных схем глубокого умягчения показан на рис. 8.

Благодаря использованию новых типов мембран и мембранных аппаратов время работы максимально увеличено, что ведет к снижению затрат по обслуживанию установки (рис. 9).

Общий вид двухступенчатых мембранных систем показан на рис. 10.

Описанные технологии применяются при разработке:

Систем очистки воды для централизованного водоснабжения: станции очистки поверхностной воды и станции очистки подземной воды производительностью до 10000 м 3 /ч; системы полностью безреагентные;

Систем очистки воды для микрорайонов и комплексов промышленных и торговых зданий;

Систем улучшения качества водопроводной воды для отдельных жилых и офисных зданий;

Систем подготовки воды подпитки теплосетей и бойлеров жилых и промышленных зданий;

Систем улучшения качества питательной воды из технических водопроводов городских предприятий;

Систем подготовки питательной воды паровых котлов среднего и высокого давления («крышных котельных» и мини-ТЭЦ) для теплоснабжения зданий или городских жилых комплексов (ЦТП) (в комбинации разработанных систем нанофильтрации с системами обратного осмоса). Разработанные технологии позволяют решать поставленные проблемы с применением компактного, легко монтируемого оборудования с простым «наращиванием» мощности, обеспечивающего автоматизированный круглосуточный режим работы, не нуждающегося в реагентах и расходных материалах и требующих сервисных мероприятий не чаще чем через 6 месяцев непрерывной работы.

Для водоснабжения крупного (жилого или гостиничного здания) система водоподготовки может состоять из четырех мембранных блоков общей производительностью 50 м 3 /ч. Габариты каждого блока (производительностью 12 м 3 /ч) составляют 1,5 м (глубина) х 1,5 м (высота) х 0,5 м (ширина). Общие габариты станции производительностью 50 м 3 /ч составляют (ШхДхВ) 3,5х1 ,5х1,5 м. В комплект поставки каждого блока входят: повысительный насос, мембранные аппараты, картриджи доочистки с углем. Эксплуатация системы состоит в проведении профилактических промывок (1 -2 раза в год) и замене угольных картриджей (1 раз в год). Срок службы мембран составляет 5 лет. Компоновка одного блока показана на рис. 11, общий вид одного блока производительностью 12 м 3 /ч показан на рис. 12.

Литература

1. Первов А. Г. Андрианов А. П. Современные мембранные системы нанофильтрации для подготовки питьевой воды высокого качества // Сантехника. 2007. № 2.
2. Futselaar M. et all. Direct capillary nanofiltration for surface water. // Desalination. V. 157(2003), p. 135-136.
3. Futselaar H., Schonewille H., MeerW. Direct capillary nanofiltration for surface water. (Presented at the European Conference on Desalination and the Environment: Fresh Water for All, Malta, 4-8 May 2003. EDS, IDA) // Desalination. 2003. Vol.157, p. 135-136.
4. Bruggen B., Hawrijk I., Cornelissen E., Vandecasteele С Direct nanofiltration of surface water using capillary membranes: comparison with flat sheet membranes. // Separation and Purification Technology. 2003.
5. Bonn_ P.A.C., Hiemstra P., Hoek J.P., Hofman J.A.M.H. Is direct nanofiltration with air flush an alternative for household water production for Amsterdam? // Desalination. 2002. V. 152, p. 263-269.
6. Web-сайт Trisep http://www.trisep.com.
7. Web-сайт PIC Membranes http://www.pcimem.com.
8. Pervov Alexei G., Melnikov Andrey G. The determination of the required foulant removal degree in RO feed pretreatment. // IDA world conference on Desalination and Water reuse August 25-29, 1991, Washington. Pretreatment and fouling.
9. Pervov A.G. A simplified RO process design based on understanding of fouling mechanisms.// Desalination 1999, Vol. 126.
10. Riddle Richard A. Open channel ultrafiltration for reverse osmosispretreatment. // IDA world conference on Desalination and Water reuse August 25-29, 1991, Washington. Pretreatment and fouling.
11. Первов А.Г. Мембранный рулонный элемент. Патент №2108142, выд. 10.04.1998.
12. Irvine Ed, Welch David, Smith Alan, Rachwal Tony. Nanofiltration for colour removal - 8 years operational experience in Scotland. // Proc. Of the Conf. on Membranes in Drinking and Industrial Water Production. Paris, France, 3-6 October 2000. V 1, p. 247-255.
13. Pervov A.G. Scale formation prognosis and cleaning procedure schedules in reverse osmosis operation. // Desalination 1991, Vol. 83.
14. Hilal Nidal, Al-Khatib Laila, Atkin Brian P., Kochkodan Victor, Potapchenko Nelya. Photochemical modification of membrane surfaces for (bio)fouling reduction: a nano-scale study using AFM // Desalination 2003, Vol. 156, p. 65-72.
15. Hilal Nidal, Mohammad A. Wahab, Atkina Brian, Darwish Naif A.Using atomic force microscopy towards improvement in nanofiltration membranes properties for desalination pre-treatment: A review // Desalination 2003, Vol. 157, p. 137-144.
16. Первов А. Г., Мотовилова Н. Б., Андрианов А. П., Ефремов Р. В. Разработка систем очистки цветных вод северных районов на основе технологий нанофильтрации и ультрафильтрации // Очистка и кондиционирование природных вод: Сб. науч. трудов. Вып. 5. М., 2004.
17. Первов А. Г., Андрианов А. П., Спицов Д. В., Козлова Ю. В. Выбор оптимальной схемы доочистки водопроводной воды в городских зданиях с использованием мембранных установок // Сборник докладов седьмого международного конгресса «Вода: экология и технология». Том 1.
18. Первов А. Г., Бондаренко В. И., Жабин Г. Г. Применение комбинированных систем обратного осмоса и ионного обмена для подготовки питательной воды паровых котлов // Энергосбережение и водоподготовка. 2004. № 5.

Знаете ли Вы, что каждый десятый житель планеты не получает обычную питьевую воду в достаточном количестве. Для решения этой самой насущной проблемы человечества лучшие инженеры по всему земному шару разработали широкий спектр больших и малых, устройств, производящих чистую воду. Ежегодно появляется множество инноваций, упрощающих и удешевляющих эти процессы, и оборудование становится компактней и дешевле. На сегодняшний день во всём мире от нехватки питьевой воды страдают не менее 663 миллионов человек, и решение этой задачи с каждым годом становится всё актуальней.

Для получения пресной воды используются разные технологии - от конденсации воды из разряжённого воздуха и опреснения солёной морской воды до водяных чипов с ультрафиолетовой очисткой, которые можно применять в домашних условиях. Конечно, не все из существующих технологий вышли за пределы лабораторий, но те из них, которые были внедрены, уже позволили получить миллиарды литров чистой воды.

Башня по сбору питьевой воды Warka Water

Разработчикам понадобилось несколько лет для создания башни Warka Water, и в прошлом году первая опытная установка, способная получать чистую воду прямо из воздуха, всё-таки заработала в эфиопской деревушке. Уникальный проект, заслуживший награду, основан на концепции сбора воды из тумана.

Конструкция представляет собой огромный цилиндр из сплетенных бамбуковых прутьев, внутри которого натягивается ячеистая сетка. Башню окаймляет навес, позволяющий местным жителям отдохнуть в теньке, пока конденсат переливается в емкость из-под основания башни. Создатели башни планируют начать массовое производство к 2019 году.

Крошечный УФ очиститель воды

Не все люди, страдающие от недостатка чистой воды, проживают в засушливых регионах. Иногда «кругом вода, но не испить ни капли, ни глотка» из-за загрязнения окружающей среды или других экологических проблем. Существующие системы очистки, как правило, дорогие и малопроизводительные. Исследователи из Стэнфордского университета и Национальной лаборатории SLAC недавно разработали УФ очиститель воды, размещаемый в крошечном прямоугольном корпусе, который сокращает процесс очищения воды с 48 часов до 20 минут. Несмотря на то, что до массового производства устройства ещё очень далеко, лабораторные испытания прототипа дают надежду, что создание этого чипа может стать первым шагом на пути к новому поколению методов очистки, помогающих превратить грязную воду в питьевую.

Плавучий опреснитель воды на солнечных батареях Pipe

Новый опреснительный проект, разработанный для Калифорнии и получивший название Pipe, произвёл фурор прошлым летом, предоставив 5,7 миллиардов литров чистой питьевой воды для пострадавшего от засухи штата. Получающая энергию от солнечных батарей платформа работает по принципу электромагнитного метода опреснения. Для превращения морской воды в питьевую используются фильтрация и термальные ванны, а получаемый побочный продукт затем выводится обратно в океан. Внешне Pipe скорее напоминает гигантскую сверкающую скульптуру, произведение искусства, а не промышленную установку. Она радует глаз и греет душу сознанием того, какая большая проблема решается с её помощью.

Крупнейшая в мире установка для сбора тумана

Самая большая установка для сбора тумана представляет собой гигантский сеточный забор, улавливающий густой туман в марокканской пустыне и превращающий его в чистую свежую водицу. Хитроумное устройство площадью около 600 квадратных метров очень выгодно использует природные условия засушливого региона Aït Baâmrane, где туман, больше напоминающий плотное одеяло, покрывает всё вокруг шесть месяцев в году. Установка в сутки производит 77 литров питьевой воды на каждый квадратный метр сетки. При помощи насосной системы на солнечных батареях и труб чистая питьевая вода нодаётся более 400 местным жителям, для которых ранее получение воды было невероятно сложной проблемой.

Водяной нано-чип

Основным препятствием для внедрения технологий водоочистки для бытовых нужд населения в засушливых районах всегда являлась их большая себестоимость. Исследователи, инженеры, конструкторы буквально сбились с ног, пытаясь решить эту проблему. Неожиданное и очень оригинальное решение было предложено учёными Техасского университета в Остине и немецкими учеными из Марбургского университета. Они изобрели «водяной чип», создающий слабое электрическое поле, которого, однако, достаточно для опреснения небольшого количества воды. Судя даже по результатам первых экспериментов, этот чип, работающий на обычных батарейках, может стать решением для потребителей. Для дальнейших испытаний и содействия развитию технологии этого очень перспективного и портативного способа был специально создан стартап Okeanos Technology.

Волновая электростанция Carnegie Perth Wave Energy

Проект Carnegie Perth Wave Energy решил убить сразу двух зайцев, объединив метод получения электричества от подводных течений с методом обратного осмоса для опреснения морской воды. Установка по типу плавающего буя работает у побережья Перта в Западной Австралии, где особенно важны именно экологически чистые методы производства электроэнергии. Три погружных 240-киловаттных буя закреплены на морском дне с помощью тяжёлых гидравлических насосов, проталкивающих воду через мощные турбины, в то время как вся система покачивается в глубинах океана. Встроенная опреснительная система использует часть производимой электроэнергии для создания чистой питьевой воды, а остальная часть электроэнергии подается обратно на берег непосредственно в сеть. Этот небольшой проект местного масштаба является частью более крупного плана использовать данную технологию опреснения в качестве неистощаемого и безопасного источника чистой питьевой воды для местных жителей.