Мембранные технологии для очистки воды в пищевой промышленности

Мембранные технологии широким фронтом внедряются в практику отечественной промышленной водоподготовки за последнее десятилетие.

Установки на основе обратного осмоса ( RO ) с успехом эксплуатируются многочисленными потребителями. При этом в пищевом секторе (подготовка воды питьевого качества) приходится сталкиваться с необходимостью дозирования солей в обратноосмотический пермеат, с целью приведения его состава в соответствие с требованиями действующих нормативов, или наблюдать ситуации, когда в обратноосмотический пермеат подмешивается исходная вода. Оба указанных выше способа водоподготовки трудно счесть оптимальными.

В первом случае налицо явный факт избыточности эксплуатационных затрат: сначала из обрабатываемой воды удаляется основная масса растворенных солей, а затем проводится коррекция состава опресненной воды путем добавки солевых композиций.

Реализуемое во втором случае решение экономично, но сопровождается серьезным риском поступления к потребителю нежелательных компонентов с исходной водой, подмешиваемой в пермеат.

Кроме того, ввиду абсолютной проницаемости обратноосмотических мембран для растворенных в водной среде газов, рН пермеата практически всегда смещен в кислую область (из-за присутствия СО₂). и его корректировка сопряжена с дополнительными затратами.

Одна из целей данной статьи привлечь внимание к возможностям мембранной технологии нанофильтрации воды в такой традиционной области применения мембранных методов очистки, как водоподготовка в пищевой отрасли и водоснабжении.

Для решения упомянутых задач мембранные технологии с использованием нанофильтрации ( NF ) широко используются за рубежом. Так, например, в Париже с 1999 г . эксплуатируется установка питьевого водоснабжения на нанофильтрацилонных мембранах FILMTEC производительностью более 5800 м³/ч: в Финляндии и Швеции в период с 1999 г. запущены и успешно работают более дюжины нанофильтрационных установок водоподготовки производительностью 100-200 м³/ч, обеспечивающих население питьевой водой; в Норвегии для тех же целей введена в эксплуатацию в 2003 г . водоподготовительная установка нанофильтрации производительностью свыше 600 м³/ч.

Остановимся на причинах, которыми обусловлен стремительный рост доли мембранных технологий на основе нанофильтрации в сфере очистки питьевой воды и смежных с ней областях.

Общепризнанными задачами, стоящими перед человечеством на сегодняшний день в глобальном масштабе, считаются:

• обеспечения населения питьевой водой, качество которой соответствует требованиям ВОЗ:
• сокращения потребления природных вод, за счет переработки и повторного использования образующихся жидких сточных вод
• минимизации как объема жидких стоков, возникающих в процессе хозяйственной деятельности, так и количества сбрасываемых в окружающую среду солей.

Мембранные технологии на основе нанофильтрации по состоянию на сегодняшний день предлагает наиболее рациональный и экономичный способ решения поставленных задач.

Во-первых, благодаря простоте аппаратурного оформления и эксплуатации, нанофильтрация позволяет вывести на новый технический уровень уже имеющиеся водоподготовительные мощности, обеспечивая существенное улучшение качества обработанной воды одновременно с модернизацией устаревающей производственной инфраструктуры.

Во-вторых, движущими силами процесса внедрения мембранной технологии нанофильтрации в практику, являются:

а) ужесточение требований к содержанию в питьевой воде вторичных продуктов
дезинфекции, Crypto , Giardia , e - coli и других микроорганизмов (бактерий и вирусов)

б) требование обеспечивать высокую степень извлечения вредных компонентов из воды (т.н. «барьерную сепарацию»)

в) сокращение природных ресурсов чистой воды

г) диверсификация свойств нанофильтрационных мембран

Рассмотрим указанные выше причины подробнее.

Процессы коагуляции/флокуляции в сочетании с методами гидромеханического разделения (отстаивания и фильтрования) и обеззараживания (хлорирование, озонирование) составляли основу водоподготовки для питьевых целей многие десятилетия. При этом обработка сильными окислителями воды, содержащей остаточные количества веществ органической природы, приводит к образованию канцерогенов (например, тригалометанов), чье присутствие в питьевой воде крайне нежелательно.

Применение нанофильтрации воды до обеззараживания (или даже вместо него) позволяет снять остроту проблемы, поскольку нанофильтрация является эффективным барьером для большинства природных органических компонентов и микроорганизмов. Тем самым технический уровень существующей водоподготовки выводится на новую ступень развития.

Рост озабоченности (прежде всего на Западе) вопросами качества потребляемой питьевой воды инициировал принятие документов, ужесточающих требования к показателям, обеспечиваемым установками очистки воды.

В качестве примера сошлемся на введенные в действие в США: Surface Water Treatment Rule 1989 (по очистке вод из поверхностных и подземных источников): Stage I Disinfectants / Disinfectant Byproducts Rule , Feb . 1999 (ограничения по остаточным количествам дезинфицирующих веществ и полупродуктов): Interim Enhanced Surface Water Treatment Rule , Feb . 1999 (нормативы водоснабжения объектов с числом обитателей свыше 10 000 человек) и др.

В соответствии с указанными выше документами, наряду с повышением требований к эффективности коагуляции и умягчения, степень разделения при фильтровании в установках очистки воды должна обеспечить:

• снижение содержания вирусов в 10 000 раз
• снижение содержания Giardiaв 1 000 раз
• полное удаление Legionella
• 100-кратное снижение содержания Cryptosporidum
• удаление общего органического углерода (ТОС) не менее, чем от 15 до 50 %
• остаточное содержание тригалометанов (ТИМ) не более 80 мкг/л
• мутность в пределах от 0,3 (95%) до 1,0 ( max ) единиц NTU

В период в 2004- 2005 г .г. запланированы к введению в действие еще более жесткие нормативы:

• ТНМ не более 40 мкг/л
• более чем 100-кратное удаление Cryptosporidum
• по предельно допустимому содержанию радона
• по предельно допустимому содержанию мышьяка
• по дезинфекции вод подземных источников

Если проанализировать спектр мембранных технологий водоподготовки, сопоставив возможности микро- ( MF ), ультрафильтрации ( UF ), нанофильтрации и обратного осмоса, то можно сделать вывод, что только нанофильтрация и обратный осмос (о недостатках которого в данной области применения говорилось выше) способны отвечать предъявляемым требованиям на перспективу.

Для удобства восприятия представим данные в табличном виде.

Знак «+» означает возможность технологии водоподготовки обеспечить соответствие показателей предъявляемым требованиям;

«+?» - только при определенных условиях;

«-» - отсутствие возможности.

*ед. измерения - Log степени извлечения

Обратноосмотические мембранные технологии безусловно обеспечат соответствие всем заявленным показателям, но с недостатками, упомянутыми в начале данной статьи,

Еще недавно термин « нанофильтрация » ассоциировался только с низкоселективным и, соответственно, низконапорным обратным осмосом, но в последнее десятилетие направление нанофильтрации в мембранных технологиях получило бурное развитие. Были разработаны, освоены в производстве и успешно эксплуатируются нанофильтрационные мембраны, предназначенные для:

• высокоселективного удаления из обрабатываемой воды ТОС и пестицидов без существенного изменения ее солевого состава
• глубокого удаления органики с одновременной коррекцией солевого состава воды
• умягчения воды путем селективного извлечения поливалентных ионов
• коррекции солевого состава посредством предпочтительного удаления поливалентных ионов по сравнению с одновалентными
• обработки технологических жидких сред в пищевой промышленности (молочной сыворотки, соков, вин и т.п. - эта область применения представляет огромный интерес, но выходит за рамки данной публикации).

Приведенная гамма нанофильтрационных мембран позволяет потребителям применять рациональные по техническим решениям и экономичные по эксплуатационным затратам установки водоподготовки как для обеспечения нужд питьевого водоснабжения, так и в смежных с ним областях.

Еще одним направлением, в котором применение мембранных технологий представляется весьма многообещающим, является переработка и повторное использование сточных вод , образующихся в результате промышленной и хозяйственно-бытовой деятельности,

Следует, правда, оговориться, что промышленные сточные воды требуют индивидуального подхода и, как правило, для переработки стоков весьма затруднительно предложить типовые решения.

Актуальность данной задачи объясняется не только ограниченностью ресурсов пресной воды и постоянным ростом ее стоимости, но и тем обстоятельством, что повторное использование сточных вод может оказаться экономичнее, чем их сброс. Ведь нет секрета в том, что требования по защите окружающей среды постоянно ужесточаются и сброс загрязненных сточных вод может стоить даже дороже, чем их переработка для повторного применения.

Исторически, ранее разработанные технологии обработки сточных вод, основывались на процессах гравитационного осаждения (седиментации), механического фильтрования и стерилизации. Позднее в орбиту используемых методов были вовлечены флотация, аэрация и биоочистка. Развитие методов, основанных на мембранных технологиях, позволило применять микрофильтрацию для удаления взвесей, ультрафильтрацию – для удаления коллоидов и бактерий, нанофильтрацию - для резкого снижения количества растворенной органики и, наконец, обратный осмос - для комплексного удаления органических и подавляющей массы неорганических компонентов, присутствующих в обрабатываемой воде.

Например, для целей ирригации преимущество обратного осмоса перед другими мембранными технологиями водоподготовки заключается в том, что исключается риск повышения солесодержания почв. В США, в Юме, с 1992 г . эксплуатируется установка водоподготовки на основе обратного осмоса для переработки бытовых сточных вод производительностью 11500м³ ч; для аналогичных целей применяется установка в бывшей Олимпийской деревне Сиднея (Австралия) - около 200м³/ ч.

Обратный осмос нашел весьма широкое применение для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод и повторного использования пермеата для промышленных нужд. Достаточно упомянуть завод по производству удобрений в Мадрасе (Индия ~- Madras Fertilisers Ltd .), который был первопроходцем в данной области, и где с 1993 г . работает установка мощностью 500м³/ч; в Сингапуре ( JEWEL ) с 2000 г . функционирует установка производительностью 1250м³/ ч с обратноосмотическими мембранами, стойкими к отравлению; в Шанхае (КНР) - 475 м³/ч и т.д.

Если рассматривать очистку промышленных сточных вод, то к типовым примерам, где успешно применяется обратный осмос, можно отнести очистку конденсата (охлажденного!), обработку стоков, содержащих в основном промывные воды, в гальванопластике, а также сточных вод прачечных и химчисток.

Важным следует признать то обстоятельство, что обратный осмос позволяет перерабатывать стоки до уровня требований, предъявляемых к качеству питьевой воды.

Примеры такого рода существуют в США ( WF 21, Orange County , California - 800м³/ч): пермеат, полученный в результате обработки хозяйственно-бытовых сточных вод смешивается в пропорции 3/10 с водой из других источников и закачивается в хранилища, из которых осуществляется забор исходной воды для приготовления питьевой.

Аналогичного типа установка очистки сточных вод производительностью 12 500м³ /ч по пермеату введена в эксплуатацию в Кувейте в 2003 г .

В СССР в первой половине 70-х годов прошлого столетия проводились в целом успешные работы по использованию мембранных технологий на основе обратного осмоса в системах жизнеобеспечения с замкнутым циклом, но, к сожалению, эти работы носили закрытый характер и положительный опыт не получил широкого распространения.

Пока, однако, последнее направление применения технологий на базе обратного осмоса не преодолело психологического барьера в сознании потребителей, а потому час массового внедрения таких мембранных технологий еще не настал.