Глобальной проблемой человечества в новом тысячелетии становится проблема получения пригодной для питья пресной воды. Дефицит пресной воды остро ощущается на территории более 40 стран, расположенных в засушливых областях земного шара и составляющих около 60% от всей поверхности суши.
Мировое потребление воды в начале XXI в. достигло 12 000–15 000 км3 в год и возрастает на 3000–5000 км3 каждые последующие 10 лет. В настоящее время в условиях постоянного роста населения и изменения климата наблюдается истощение водных ресурсов и рост потребления электроэнергии [1].
По прогнозам ООН, к 2030 г. спрос на воду вырастет на 30%, при этом спрос будет превышать предложение на 40%. Растущий мировой дефицит пресной воды может быть скомпенсирован опреснением соленых (солесодержание более 10 г/л) и солоноватых (2–10 г/л) океанических, морских и подземных вод, запасы которых составляют 98% всей воды на земном шаре (рис. 1).
Рис. 1. Глобальная ситуация с водой на планете
Нехватка пресной воды все больше ощущается в индустриально развитых странах, таких как США и Япония, где потребность в пресной воде для бытовых нужд, сельского хозяйства и промышленности превышает имеющиеся запасы. В таких странах, как Израиль или Кувейт, практически во всех государствах Африки, где уровень осадков очень низок, запасы пресной воды не соответствуют потребностям в ней, которые возрастают в связи с модернизацией хозяйства и приростом населения [2]. В дальнейшем человечество окажется перед необходимостью рассматривать океаны как альтернативный источник воды.
Опреснение и повторное использование воды являются основными способами решения проблемы нехватки воды. Сегодня опресняется 300 км3 в год морской воды, к 2030 г. прогнозируется рост до 1100 км3 в год.
Рис. 2. Структура водных ресурсов планеты, применяемых в технологии получения пресной воды
Россия по ресурсам поверхностных пресных вод занимает первое место в мире. Однако до 80% этих ресурсов приходится на районы Сибири, Севера и Дальнего Востока. Всего около 20% пресноводных источников расположено в центральных и южных областях с самой высокой плотностью населения и высокоразвитыми промышленностью и сельским хозяйством.
Некоторые районы Средней Азии (Туркмения, Казахстан), Кавказа, Донбасса, юго-восточной части РФ, обладая крупнейшими минерально-сырьевыми ресурсами, не имеют источников пресной воды. Вместе с тем ряд районов нашей страны располагает большими запасами подземных вод с общей минерализацией от 1 до 35 г/л, не используемых для нужд водоснабжения из-за высокого содержания растворенных в воде солей. Эти воды могут стать источниками водоснабжения только при условии их дальнейшего опреснения.
Очень часто поднимается вопрос по поводу опреснения морской воды. Приводят в пример Израиль, ОАЭ, Саудовскую Аравию. В этих странах природных водных ресурсов практически нет, процент воды, добытой с помощью опреснения морской, доходит до 40% в Израиле, в то же время в ОАЭ целых 70%.
В Дубайском Управлении по электричеству и водоснабжению в Джебель-Али природный газ сжигается для производства электроэнергии и опреснения морской воды. Всего же в Эмиратах 32 завода по опреснению морской воды. Стоимость опреснения одного кубометра составляет $ 2. На опреснение одного 1 м3 воды уходит 2–3 кВт электроэнергии [3].
Опреснение воды может осуществляться химическими (химическое осаждение, ионный обмен), физическими (дистилляция, обратный осмос или гиперфильтрация, электродиализ, вымораживание) и биологическими методами с использованием способности некоторых фотосинтезирующих водорослей избирательно поглощать NaCl из морской воды.
За последние годы были также предложены новые альтернативные методы опреснения морской воды за счет воздействия ультразвуком, акустическими, ударными волнами, электромагнитными полями и др.
Многообразие существующих методов получения пресной воды объясняется тем, что ни один из них не может считаться универсальным, приемлемым для данных конкретных условий. Характеристики методов опреснения, получивших наибольшее практическое применение, приводятся ниже [4].
ХИМИЧЕСКОЕ ОПРЕСНЕНИЕ
При химическом способе опреснения в морскую воду вводят специальные осаждающие реагенты, которые при взаимодействии с растворенными в ней ионами солей (хлориды, сульфаты) образуют нерастворимые, выпадающие в осадок соединения. Вследствие того, что морская вода содержит большое количество растворенных веществ, расход реагентов весьма значителен и составляет примерно 3–5% количества опресненной воды. Эти реагенты дорогостоящие, поэтому химическое осаждение при опреснении воды используется очень редко.
ДИСТИЛЛЯЦИЯ
Дистилляция воды (перегонка) основана на различии в составе воды и образующегося из нее пара. Процесс осуществляется в специальных дистилляционных установках – опреснителях путем частичного испарения воды и последующей конденсации пара (рис. 3 и 4).
Рис. 3. Схема одноступенчатого дистилляционного опреснителя: 1 – корпус испарительной камеры; 2 – нагревательный элемент; 3 – конденсатор; 4 – насос; 5 – сборник дистиллята
Рис. 4. Схема многоступенчатого дистилляционного опреснителя: 1 – испарительные камеры 1-й, 2-й, 3-й и 4-й ступеней; 2 – трубчатые нагревательные элементы; 3 – концевой конденсатор; 4 – брызгоулавливатель; 5 – насос
Затраты при осуществлении любого варианта процесса дистилляции связаны с большими затратами тепловой энергии, составляющими 40% от стоимости получаемой воды (если проводить дистилляцию в вакууме, температура кипения воды понижается до 60 °С, и дистилляция требует меньших тепловых затрат). В качестве источников тепловой энергии используются атомные и тепловые электростанции.
Сочетание дистилляционной установки с тепловой электростанцией на минеральном или ядерном топливе, так называемая многоцелевая энергетическая установка, позволяет обеспечить промышленный район всеми видами энергетических услуг по минимальной себестоимости при наиболее рациональном использовании топлива. В пустынных южных районах и на безводных островах применяются солнечные опреснители, которые производят в летние месяцы около 4 л воды в сутки с 1 м2 поверхности, воспринимающей солнечную радиацию.
Суммарные энергозатраты на проведение дистилляции большие и составляют до 10 кВт час/м3 обессоленной воды. Поэтому в последние годы предложены другие способы опреснения морской воды, которые не связаны с необходимостью ее испарения и конденсации.
ИОННЫЙ ОБМЕН
Метод основан на свойстве твердых полимерных смол разной степени сшивки, ковалентно связанных с ионогенными группами (иониты), обратимо обмениваться ионами растворенных в воде солей (противоионы).
Процесс ионообменного опреснения воды заключается в последовательном прохождении воды через неподвижный слой ионита в периодическом процессе или противоточным движением воды и ионита в непрерывном процессе (рис. 5). В этом процессе катионы и анионы солей обрабатываемой воды последовательно связываются с ионитами, в результате происходит ее обессоливание. Соотношение ионита, анионита и катионита обычно составляет от 1:1 до 1.5:1.0 по массе.
Рис. 5. Схемы ионообменного опреснения воды
Ионообменный способ опреснения воды имеет ряд достоинств: простота оборудования, малый расход исходной воды на собственные нужды (15–20% от производительности установки), малый расход электроэнергии, малый объем отработанных сбросных вод.
Недостаток ионообменного метода – сравнительно высокий расход реагентов, технологическая сложность процесса, который лимитируется исходным уровнем солесодержания обрабатываемой воды, определяющегося экономическими затратами. Рентабельность ионного обмена при опреснении воды обычно ограничивается исходным содержанием растворенных солей 1,5–2,5 г/л. Однако при необходимости, когда себестоимость воды не играет существенной роли, этим методом можно опреснять воду с достаточно высоким солесодержанием.
ЗАМОРАЖИВАНИЕ
Данный метод основан на том, что в естественных природных условиях лед, образующийся из морской воды, является пресным, поскольку образование кристаллов льда при температуре ниже температуры замерзания происходит только из молекул воды (явление криоскопии).
Метод замораживания применяется для концентрирования непищевых продуктов, для опреснения морской воды, концентрирования и разделения химических растворов и др. Он достаточно прост и экономичен, но требует сложного оборудования и энергоемок. Поэтому на практике он используется чрезвычайно редко.
ЭЛЕКТРОДИАЛИЗ
Данный процесс мембранного разделения основан на способности ионов, растворенных в воде солей, перемещаться через мембрану под действием градиента электрического поля. При этом катионы перемещаются по направлению к отрицательному электроду (катоду), а анионы движутся в противоположном направлении к положительно заряженному электроду (аноду). Катионы и анионы разделяют, используя специальные проницаемые для ионов ионоселективные мембраны. В результате в ограниченном мембранами объеме происходит снижение концентрации солей (рис. 6).
Рис. 6. Схема многокамерного электродиализного опреснителя
ОБРАТНЫЙ ОСМОС
При опреснении воды методом обратного осмоса морскую воду пропускают через полупроницаемые мембраны под воздействием давления, существенно превышающего разницу осмотических давлений пресной и морской воды (для морской воды 25–50 атм.). Такие мембраны изготавливаются отечественной промышленностью из полиамида или ацетата целлюлозы и выпускаются в виде полых волокон или рулонов. Через микропоры этих мембран могут свободно проникать небольшие молекулы воды, в то время как более крупные ионы соли и другие примеси задерживаются мембраной (рис. 7 и 8).
Рис. 7. Схема процесса опреснения воды методом обратного осмоса
Рис. 8. Конструкция обратноосмотического мембранного фильтра
Обратный осмос обладает существенными преимуществами по сравнению с другими методами опреснения воды: энергетические затраты сравнительно невелики, установки конструктивно просты и компактны, работа их может быть легко автоматизирована. Управление системой обратного осмоса осуществляется в полуавтоматическом и автоматическом режиме.
Обратный осмос используется в нашей стране с начала 1970-х гг. в различных технологиях очистки воды от примесей, в. т. ч., для опреснения воды.
Так, при опреснении соленой воды из скважины, содержащей 0,5% растворенных солей, при давлении 40–50 атм. в течение суток удается получить приблизительно 700 л пресной воды с 1 м2 мембраны. Поскольку для получения большой площади поверхности необходимо очень много тонких труб, процесс обратного осмоса не находит широкого применения для получения больших количеств пресной воды. Однако этот процесс представляется весьма перспективным в связи с разработкой, внедрением и производством отечественных улучшенных низконапорных высокоселективных энергосберегающих мембран.
Компактные станции для очистки питьевой воды, устанавливаемые в модульные системы, обязательно должны включать в себя дополнительное (вспомогательное) оборудование, как, например, фотоэлектрические системы ультрафиолетового обеззараживания, генераторы выработки озона, генераторы и баки для топлива, баки для хранения воды и распределительные насосы. Данные системы являются полноценными и автономными установками для очистки и подачи воды.
Установки ультрафиолетового обеззараживания (УФО) устраняют микробиологическое и химическое загрязнение воды для производства питьевой воды. Система включает в себя седиментацию, микрофильтрацию, ультрафильтрацию и дезинфекцию ультрафиолетовым излучением с целью удаления частиц из воды и бактерий, вирусов и многих других веществ, потенциально опасных для здоровья.
ОЗОНИРОВАНИЕ ВОДЫ
В настоящее время вопрос обеззараживания питьевой воды регламентируется требованиями СанПиНа 4630-88 и ГОСТа 2874-82 [5, 6]. Универсальным способом обработки воды до критериев, описанных в этих нормативных документах, является озонирование. Озон полостью уничтожает все известные микроорганизмы:
– бактерии‚ вирусы‚ простейших‚ их споры‚ цисты и т. д.;
– значительно снижает содержание растворенной в воде органики, очищает воду от загрязнений фенолами и некоторыми химическими соединениями, не поддающимися удалению другими химическими реагентами.
Устойчивых к воздействию озона форм микроорганизмов возникнуть не может‚ т. к. этот газ механически разрушает клетку, окисляя ее стенки и цитоплазму. Озон не придает воде привкусов и запахов, и обладает весьма ценным свойством самораспада – после окончания обработки озон превращается обратно в кислород.
Также озон находит все более широкое применение в различных высокотехнологичных отраслях промышленности. Так, он повсеместно замещает хлор при процессе отбеливания целлюлозы на ЦБК и некоторых видов тканей по причинам как технологического, так и экологического характера. Применение озона для этих целей требует его высоких концентраций в рабочем газе [7].
Одним из основных современных направлений технологического применения озона также является очистка разнообразных стоков и отходов. Озон успешно используется, в. т. ч., и для переработки жидких радиоактивных отходов на АЭС.
В РФЯЦ – ВНИИТФ (ВЭИ – филиале) разработаны и выпускаются озонаторы для обеспечения озоном перечисленных технологических процессов (рис. 9). Высокая концентрация озона на выходе из генератора, возможность работы по заранее заданному алгоритму дают возможность применять эти озонаторы практически для любых сложных технологий, использующих озон как мощный окислитель.
Типоразмерный ряд генераторов озона включает генераторы ОБП-3,0, ОБП6,0 и ОБП-12,0 производительностью 3,0; 6,0 и 12,0 кг O3 /ч (при работе на кислороде) и 1,5; 3,0 и 6,0 кг O3 /ч (при работе на воздухе). Причем выход озона с 1 дм2 активной поверхности электродов (при концентрации озона 100 г O3 /м3) составляет 16 г O3 /ч.дм2 против 2,2 г O3 /ч.дм2 для последних моделей генераторов фирмы Ozonia.
Рис. 9. Фото генератора озона производства ВЭИ – филиала РФЯЦ – ВНИИТФ
МОБИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
Компактные станции очистки сточных вод и модульные канализационные системы (рис. 10) очищают воду гражданского и промышленного назначения и в особых случаях воду, загрязненную бактериологическими и/или химическими веществами.
Рис. 10. Фото мобильных установок опреснения воды методом обратного осмоса
Фазы очистки должны быть оптимизированы компактными, легкими для перевозки блоками, поставляемыми на место эксплуатации в комплексе со станциями очистки и в готовом виде для быстрой установки и комплектования комплекса очистки и опреснения воды.
Рост нехватки воды и наращиванию опреснительных мощностей автоматически приводит к росту потребления электроэнергии. В связи с этим в мире наблюдается устойчивый тренд развития совместной генерации энергии и воды.
Низкое энергопотребление многих мобильных передвижных станций для очистки питьевой воды позволяет использовать их с альтернативными источниками энергии, такими как солнечная энергия, накапливаемая фотогальваническими панелями, и/или энергия ветра, производимая ветровыми турбинами.
Проведя сравнительный анализ продукции более 20 ведущих мировых компаний, таких как французская компания Vivendi Environnement (15% установок для опреснения в мире), компании Ondeo Degremont филиал Suez-Lyonnaiseles Eaux, американская фирма Lonics, испанские компании Pridesa, Iberdrola, Cadaqua, можно сделать выводы, что самым энергоэффективным и затребованным в эксплуатации будет метод опреснения морской воды с помощью мобильных (установленных в блок-контейнеры) установок опреснения воды методом обратного осмоса, установок ультрафиолетового обеззараживания и генераторов озона как малой производительности – 5–10 м3 /сут., так и целые заводы по опреснению морской воды с производительностью до 2000–5000 м3 /сут.
По данным информационно-аналитического агентства IDA (International Development Association), из всего объема получаемой в мире опресненной воды более 61% приходится на долю обратноосмотических установок, 26% приходится на долю дистилляционных опреснительных установок и около 10% – на долю электродиализных, замораживающих и ионообменных опреснительных установок (рис. 11).
Машиностроительный дивизион Государственной корпорации «Росатом» – АО «Атомэнергомаш» готов предложить эффективные, экологичные решения в области водоподготовки и опреснения для промышленности, сельского хозяйства и населения [8].
Мобильные установки для очистки питьевой воды, разрабатываемые АО «Атомэнергомаш», предназначены для производства безопасной питьевой воды из большого количества традиционных и нетрадиционных водных источников в зонах с дефицитом водных ресурсов и/или с загрязненной водой.
Благодаря технологиям, разработанным в машиностроительном дивизионе Росатома, можно опреснять морскую и грунтовые воды для водоснабжения городов и промышленных зон, создавать современные водоподготовительные комплексы для вновь сооружаемых промышленных предприятий и реконструировать существующие водные хозяйства с реализацией технологии нулевого жидкого сброса и их приведением к требованиям природоохранного законодательства.
Для разрешения этой проблемы необходимо срочно найти и реализовать пути и способы создания и поддержания надежной системы экономически и экологически приемлемого дополнительного водоснабжения страны. Надо находить способы. Израиль, Эмираты, Испания, Италия четко идут по этому направлению. Где не хватает воды, надо опреснять морскую воду. Другое дело, что необходимо тщательно выбирать технологии, которые используются при опреснении морской воды, чтобы меньше рассолов сбрасывать, а эту соль использовать как лечебную, пищевую. Наши моря это позволяют: и Черное, и Каспийское, и особенно Азовское. Более того, соль Азовского моря более активна, в ней есть микроорганизмы в большом количестве.
Рис. 11. Структура производства пресной воды по типу используемых технологий (источник: IDA)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Истощение водных источников, индустриальное развитие и рост населения предъявляют новые требования к водным хозяйствам промышленных предприятий. Основными факторами устойчивого экологически-дружественного развития могут быть освоение новых источников воды (опреснение в интеграции с доступным энергоисточником) либо повторное использование воды (сточных вод).
Выбор метода и технологии опреснения воды зависит от предъявляемых к воде требований по качеству и солесодержанию, а также технико-экономических показателей. В зависимости от реализуемого способа опреснения воды применяются различные типы опреснительных установок.
Дистилляционные опреснительные установки (однокорпусные и многокорпусные, по способу опреснения – парокомпрессионные и солнечные) применяются при опреснении морской воды и соленых вод с высоким солесодержанием до 35 г/л.
Опреснение морской воды электродиализом и гиперфильтрацией (обратным осмосом) экономично при солесодержании 25 г/л, ионным обменом – менее 25 г/л.
Для создания современных систем водопользования необходим комплексный подход в сочетании с компетенциями по водоподготовке, водоочистке, опреснению и эксплуатации водного хозяйства.