Богатые нефтью страны Аравийского полуострова, где дефицит воды издавна был частью бытия местного населения, решают проблему с помощью опреснительных установок, пожирающих мегаватты энергии. По тому же пути идёт Китай, развернувший в приморских провинциях, испытывающих нехватку пресной воды, масштабное строительство опреснителей. В провинции Шаньдун в течение ближайших пяти лет предполагается построить 21 установку, которые будут выдавать около 140 млн м3 пресной воды в год. Строительство нового мощного оборудования для опреснения морской воды ведётся в Израиле, Северной Африке, на юге Европы, в американских штатах Флорида и Калифорния, в Сингапуре.
Если в 1990 г. в мире с помощью опреснителей производилось 4 млн м3 воды в сутки, то в 2000 г. — 16 млн м3, а в 2007-м — уже 50 млн м3. Согласно прогнозу специалистов инвестиции в строительство новых опреснительных мощностей составят примерно 20 млрд долларов США.
Однако когда сегодня говорят о нехватке воды, имеют в виду отнюдь не только пустынные, засушливые территории планеты. Чистая, пригодная для питья вода катастрофически убывает и там, где этого, казалось бы, попросту быть не может.
По данным экологов, из-за постоянного ухудшения качества водных объектов в Ленинградской области практически не осталось чистых поверхностных источников водоснабжения. Реки Свирь, Паша, Оять, Сясь, Волхов, Нева, Луга, Плюса перешли в категорию “загрязнённых” (4-й класс качества), а нижние и средние участки рек Тосна, Мга, Ижора, Чёрная — в категорию “грязных” и “очень грязных” (5—6-й класс качества). Не спасают положения и подземные воды. Наиболее мощные подземные водоносные горизонты — солёные. Из 1362 источников децентрализованного водоснабжения области (колодцы, артезианские скважины, родники и т.п.) 18,5% не соответствуют санитарно-химическим нормативам, а по микробиологическим показателям не отвечают норме 22,7% источников. И главной причиной такого положения стало интенсивное промышленное загрязнение окружающей среды.
Вот данные Государственного водного кадастра страны по другому российскому региону — Красноярскому краю. Предприятия Заполярного филиала ОАО “ГМК “Норильский никель” сбрасывают ежегодно 85,4 млн м3 загрязнённой воды. Красноярская ТЭЦ-2 “производит” 39,2 млн м3, ООО “Енисейский ЦБК” — 26,4 млн м3, ОАО “Ачинский глинозёмный комбинат” — 6,25 млн м3 и так далее...
Регионы в качестве примера выбраны почти наугад. Тревожные сообщения приходят отовсюду. Нижегородская, Челябинская, Пермская, Амурская области, Приморский край в последнее время не раз балансировали на грани острейших кризисов, вызванных нехваткой воды из-за климатических причин или промышленного загрязнения водоисточников. Столица государства — Москва — потребляет 5 млн м3 воды в сутки. И даже здесь в самом обозримом будущем вполне реальны проблемы с водоснабжением.
Таким образом, совершенно ясно, что человечеству в целом и отдельным странам в частности, в число которых входит и Россия, не остаётся ничего иного, как всерьёз заняться производством чистой пресной воды, опресняя морскую и очищая испорченную, заражённую отходами нашей жизнедеятельности.
КАК ОПРЕСНЯЮТ МОРСКУЮ ВОДУ?
“Пресной питьевой” считается вода, если содержание солей в ней не превышает 1 грамма на 1 литр.
Сегодня пресную воду из морской получают методами дистилляции, обратного осмоса, электродиализа, вымораживания и ионного обмена.
1. MSF (Multi-Stage Flash Distillation), дистилляция мгновенным вскипанием — метод опреснения, когда морскую воду испаряют по порядку через много камер (Flash Chambers), в которых постепенно снижается давление.
2. MD (Membrane Distillation), мембранная дистилляция — нагрев морской воды происходит с одной стороны гидрофобной мембраны, которая пропускает пар, но не пропускает воду; с другой стороны мембраны пар охлаждается и конденсируется.
3. MED (Multi-Effect Distillation), многоколонная дистилляция — нагрев морской воды до высокой температуры в первой колонне и использование образованного пара для нагрева в последующих колоннах.
4. MVC (Mechanical Vapor Compression), компрессионная дистилляция — для нагрева морской воды в первой колонне по методу MED используется частично сжатый пар. По сравнению с методами MSF и MD он требует меньшего расхода энергии и дает возможность снизить температуру первичного нагрева, хотя не годится для производства больших объемов пресной воды.
5. FP (Freezing Process), вымораживание — охлаждение морской воды до кристаллизации влаги и последующее выделение кристаллов для получения пресной воды.
6. RO (Reverse Osmosis), обратный осмос — использование полупроницаемой мембраны, которая под давлением больше осмотического пропускает воду, но задерживает ионы и молекулы примесей.
7. ED (Electrodialysis), электродиализ — использование двух мембран, одна из которых пропускает только катионы, другая — только анионы, образующиеся под действием приложенного напряжения постоянного тока.
Из всего объёма получаемой в мире опреснённой воды 71,5% приходится на долю дистилля-ционных опреснительных установок, 19% — обратноосмотических, 9,4% — электродиализных, 0,1 % — на долю замораживающих и ионообменных опреснительных установок.
Традиционные опреснители, использующие технологии выпаривания, представляют собой довольно сложные сооружения, так как должны быть агрегированы с ТЭЦ, обеспечивающей дешёвую тепловую энергию. Это условие отпадает в мембранных установках, состоящих из легко собираемых модулей, которым требуется лишь электроэнергия.
Французская компания “Ondeo Degremont” получила заказ на сооружение самого крупного в мире опреснительного комплекса годовой мощностью 62 млн м3 в эмирате Фуджейра (ОЭА) стоимостью 160 млн евро. Другая французская компания — “Vivendi Environnement” будет строить опреснительную установку годовой мощностью 50 млн м3 и стоимостью 110 млн евро близ Тель-Авива (Израиль).
На этих двух комплексах традиционная технология будет комбинироваться с мембранной. Такое сочетание, а также совершенствование технологии предварительной обработки морской воды позволяют существенно снизить стоимость опреснения на новых установках — до одного доллара за 1 м3 и менее. На израильской установке себестоимость будет даже ниже — 0,55 доллара. Это обеспечивается возможностью альтернативного применения каждой из технологий в зависимости от цен на электроэнергию. Как полагают, будущее может принадлежать именно комбинированным комплексам.
НЕДОСТАТКИ ПРИМЕНЯЕМЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Перечисленные технологии опреснения не избавлены от минусов, существенно повышающих эксплуатационные расходы.
Образование накипи на теплопередающих поверхностях дистилляторов резко снижает их эффективность. Приходится часто останавливать и очищать испарители, использовать антинакипины, химреагенты, при менять дорогостоящие системы водоподготовки.
Такие же проблемы возникают и при использовании мембранных технологий. Например, подаваемая под давлением 50—150 атм на мембраны вода (при содержании солей 40 г/л) имеет жесткие ограничения по содержанию взвесей, коллоидных загрязнений, свободного хлора, солей железа, кальция, магния и стронция. В ней не должно быть микробиологических загрязнений, ее температура не может превышать 35—45оС и т.д.
То есть предварительная очистка (предподготовка воды) становится одним из главных этапов данных методов, а стоимость систем очистки иногда в 2—3 раза превышает стоимость самих опресняющих установок; она требует дополнительных энергозатрат, большого количества сменных материалов и реагентов, что, в свою очередь, весьма негативно сказывается на состоянии окружающей среды.
Кроме того, для крупных опреснительных комплексов необходимы мощные котельные (ТЭЦ) или атомные реакторы. При опреснении методами дистилляции затраты на используемое тепло достигают 40—50% от стоимости полученной воды.
Тем не менее способ избежать этих сложностей сегодня существует.
ГИДРОВОЛНОВОЙ МЕТОД
Уникальная технология, созданная в НТЦ “ТЭРОС-МИФИ” (Москва) под руководством заслуженного изобретателя России В. С. Афанасьева, основана на применении ранее не использовавшихся в этой области физических процессов. В их основе — создание в морской воде под воздействием высокочастотных механических колебаний таких гидродинамических режимов, при которых в солевом растворе создаются химические и тепловые условия, способствующие очистке и испарению воды во много раз эффективнее, чем в известных случаях. Происходит это так.
Насос подает воду на вращающийся с большой скоростью ротор с периодически открывающимися окнами (прорезями). Прорези закрыты — давление в воде повышено, прорези открываются — давление резко падает. Таким образом, вода нагревается до температур выше 100оС не тепловым, а механическим воздействием практически с ультразвуковой частотой. А поскольку тепловые нагревательные элементы отсутствуют, образующиеся отложения не влияют на процесс очистки. Нет необходимости заниматься водоподготовкой, оборудование работает без использования расходных материалов в процессе эксплуатации, не нужны фильтры, ионообменные смолы, сорбенты, химические реагенты и т.д. А значит, вторичные отходы, типичные для других технологий очистки, отсутствуют.
Второй отличительной особенностью гидроволновой технологии является то, что в ней применяется новый способ генерации пара в многочисленных высокоэнергетических зонах.
Перегретая вода подается на специальные препятствия, за которыми образуются кавитационные зоны пониженного давления — суперкаверны. Кипение там происходит уже при температуре 30—60оC. Отвод пара из многочисленных суперкаверн гидродинамического парогенератора понижает температуру водного потока, что используется для конденсации отводимого пара. Удельные энергозатраты, таким образом, снижаются до 3 кВт . ч/м3, что значительно меньше, чем у известных аналогов.
Помимо этого высокочастотное гидродинамическое воздействие разрушает органические молекулы, например токсичных веществ (цианидов, фенолов и пр.) на безвредные простые компоненты. Нет также необходимости в применении стерилизующего оборудования.
Еще одна особенность гидроволновой технологии — возможность осуществления звукохимических реакций, при которых происходит эффективное осаждение некоторых типов примесей, например дейтерия, трития и радиоактивного углерода-14. А это значит, что установка позволяет решить важнейшую проблему очистки жидких радиоактивных отходов. Создатели установки, например, предлагают в кратчайшие сроки (три года) полностью решить проблему Теченского каскада водоёмов, эксплуатируемого ФГУП ПО “Маяк”, в которых к настоящему времени скопилось около 400 млн тонн радиоактивных отходов. Такое предложение направлено правительству.
И, возможно, самое главное достоинство установки. Поскольку для ее успешной работы не требуются фильтры и мембраны, сорбенты и ионообменные смолы, химические реагенты, она способна очищать в непрерывном режиме промышленные стоки практически любого предприятия вне зависимости от характера производства.
Делать это все равно придется. Способность природы сопротивляться человеческому воздействию не бесконечна. Люди уже сейчас ощущают на себе последствия необдуманного посягательства на экологию, и последствия эти, если не принимать необходимых мер, будут только множиться и утяжеляться.
Опреснительный комплекс по гидроволновой технологии предполагает модульный принцип построения. За модуль принята установка производительностью 1200 м3/сут (50 м3/ч). Модуль может быть также разработан с большей производительностью.
Установка (модуль) способная очищать и обессоливать воду с любой естественной минерализацией.
Установка (модуль) комплектуется в климатическом блок-боксе габаритами 3x3x10 м.
Отличительные показатели гидроволнового процесса опреснения в сравнении с существующими:
1. Работа опреснительной установки происходит без использования расходных материалов в процессе эксплуатации. Отсутствуют фильтры, ионообменные смолы, сорбенты, химические реагенты и т.п.
2. Установка очищает и обессоливает морскую воду независимо от степени её загрязнения и минерализации.
3. Нет необходимости в предварительной водоподготовке.
4. Удельные энергетические затраты меньше, чем для всех известных установок (1,5—3,0 кВт . ч/м3).
5. Обеспечена полная экологическая безопасность, возможно выделение примесей в виде твёрдого осадка.
6. Нет необходимости в капитальном строительстве, поскольку опреснительный комплекс предполагает модульный принцип построения.
7. Установка способна работать от любого источника энергии, однако предпочтительной является электроэнергия.
8. Характер обслуживания: профилактический осмотр и снятие показаний приборов работником низкой квалификации.
9. Расход исходной воды равен расходу очищенной воды плюс объём имеющихся примесей.
10. Установка позволяет осуществлять как переработку отходов, так и различные способы их утилизации.
11. Себестоимость 1 тонны производимой пресной воды — не более 0,3 доллара США. Установка по предложенной технологии пригодна для многоцелевого применения ввиду отсутствия характерной для известных технологий очистки водоподготовки.
Основные направления использования установок с гидроволновой технологией:
— очистка и опреснение морской воды;
— очистка и обессоливание природных вод любой степени загрязнения, в том числе получение воды высокой степени чистоты для медицинских целей (например, “воды для инъекций”;
— очистка и утилизация жидких радиоактивных отходов;
— получение устойчивых водотопливных эмульсий, топлив с новыми свойствами;
— производство теплогенераторов с высоким коэффициентом преобразования энергии для систем горячего водоснабжения и теплового обеспечения производственных и жилых объектов;
— очистка ёмкостей и трубопроводов от отложений, загрязнений;
— очистка и обезвреживание загрязнённых вод в условиях чрезвычайных ситуаций;
— улучшение качества нефти и нефтепродуктов (снижение температуры застывания и уменьшение примесей, например серы);
— обезвреживание отравляющих веществ (ОВ).
Отсутствие традиционной водоподготовки (химреагентов, сорбентов, фильтров, ионообменных смол и т.п.) позволяет внедрить в эксплуатацию такую установку для очистки и кондиционирования жидких радиоактивных отходов, образующихся на АЭС, когда количество отходов, поступающих в хранилище, может быть уменьшено в сотни раз, что является определяющим при решении данной задачи.
Бюро справок
КЛАССЫ КАЧЕСТВА ВОДЫ
Для оценки качества водных объектов чаще всего используется гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ).
Это комплексная величина, рассчитываемая по шести-семи показателям концентрации содержащихся в воде веществ.
где С i— концентрация компонента;
N — число показателей;
ПДК i— установленная предельно допустимая величина концентрации для данного водного объекта.
В зависимости от величины ИЗВ вода подразделяется по качеству на 7 классов:
1-й класс — очень чистая (до 0,2); 2-й — чистая (0,2 — 1); 3-й — умеренно загрязненная (1 — 2); 4-й — загрязненная (2 — 4); 5-й — грязная (4 — 6); 6-й — очень грязная (6—10); 7-й — чрезвычайно грязная (более 10).
