Хотя двухходовой обратный осмос (ОО) во многих случаях может обеспечить необходимое удаление ионов, часто проекты систем очистки воды предусматривают стадию ионного обмена, размещаемую вслед за установкой ОО. Ионный обмен удаляет СО2, который в системе ОО может быть причиной сбоев при контроле качества очистки. Кроме того, в некоторых случаях считается приемлемым в очень низко расходных системах очистки воды применять портативные ионообменные емкости как единственный метод снижения концентрации ионов. Использование ионного обмена вслед за установкой ОО повышает надежность всей системы очистки. Однако при этом возникает несколько проблем. Общеизвестно, что колонии бактерий охотно поселяются на поверхности гранул ионообменного материала, особенно на смесях катионита-анионита, имеющих нейтральный рН. Кроме того, на стадии регенерации ионообменных материалов используются рискованные реагенты и сложное оборудование. Применение ионообменных емкостей создает постоянную "непредсказуемость" в процессе водоподготовки. Некоторые из этих проблем уменьшаются проверенными способами применения ионообменной технологии. Например, раздельное использование катионитов и анионитов обеспечивает сильно отличающиеся от нейтрального значения рН на ионитах разного типа, что подавляет рост бактерий. Одновременно, раздельное применение катионитов и анионитов облегчает их регенерацию и снижает затраты на реагенты. Использование портативного ионообменного резервуара позволяет провести регенерацию без ущерба для основного процесса и является гарантией стабильного качества очищенной воды.
Дистилляция является естественным процессом очистки воды, состоящим из стадии испарения и конденсации. Любой загрязнитель, испаряющийся при более высокой, чем вода, температуре, может быть удален в процессе дистилляции с очень высокой полнотой (обычно более 99%). Загрязнения в водяной пар могут попадать только в виде брызг при слишком интенсивном кипении.
Очистка дистилляцией энергоемка из-за высоких энергозатрат на испарение воды. Рациональные технологические схемы, однако, могут существенно снизить энергозатраты. К таким схемам относится многокорпусная вакуумвыпарка, когда на обогрев последующего корпуса применяется вторичный пар предыдущего более "горячего" корпуса. При такой схеме используется особенность, присущая фазовому переходу первого рода. Тепло, выделяющееся при конденсации, равно затратам тепла на испарение, если оба процесса вести при одинаковой температуре. Но если конденсацию вести при более низкой температуре, то будет выделяться тепла больше, чем было затрачено на испарение. Предположим, испарение ведется при температуре 100°С. Тогда на испарение 1 кг воды расходуется 2259 кДж тепла. Если конденсацию провести при 40°С, то при этом выделится тепла 2406 кДж, то есть на 147 кДж больше. Это "избыточное" тепло можно использовать на подогрев, тем более, что для подогрева 1 кг воды от температуры 20°С до температуры 100°С нужно только 80 кДж тепла.
Слабым местом дистилляции является накипеобразование на поверхностях теплообмена. Слой накипи даже в 1 мм существенно повышает энергозатраты в тепловых процессах. Для борьбы с этим злом обычно используют различного типа антинакипины. Антинакипинами называют химические добавки, молекулы которых образуют водорастворимые комплексные соединения с ионами кальция и магния. Комплексообразователями являются, например, этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА) или полимерные фосфаты, такие как соль Грема, гексаметафосфат натрия и др.
У антинакипина есть несколько крупных недостатков:
высокая стоимость;
необходимость использования в технологической схеме узла растворения антинакипина и его дозировки;
молекула антинакипина гидролизуется (реагирует с водой) и разлагается при высоких температурах. Этот процесс протекает относительно медленно, но принуждает постоянно компенсировать гидролиз, добавлять к питательной воде "избыточные" порции антинакипина;
если в качестве антинакипина применяется органический комплексообразователь, он может с брызгами при интенсивном кипении попадать в дистиллят. А органические антинакипины ядовиты для человека. Прекрасным техническим решением, лишенным всех недостатков антинакипина, является применение МГД-резонатора. Он одновременно решает две проблемы:
снижая удельную теплоту парообразования, уменьшает энергозатраты;
предотвращает накипеобразование, вынуждая карбонат кальция кристаллизоваться в форме арагонита. Использование в 80-х годах прошлого века
МГД-резонатора на сорокакорпусной опреснительной установке, запитываемой водой Каспийского моря, позволило:
отказаться от антинакипина;
работать в безнакипном режиме;
снизить энергозатраты на получение 1 т пресной воды на 30-50%.
Бактериальный контроль требует постоянного внимания в сравнении с любым другим аспектом в системах очистки воды. Понятие бактериальный контроля включает как оборудование, так и процедуру. Обычно применяемым оборудованием является источник ультрафиолетового излучения (УФ), озоногенерирующие системы, системы нагрева, химические дозировочные и рециркуляционные системы. Процедуры сводятся к периодическим санитарным обработкам и технологическим приемам, препятствующим попаданию бактерий в систему. Бактериальный контроль применяется на всех стадиях очистки, хранения и распределения воды.
Ультрафиолетовое излучение с длиной волны 254 нм и дозировкой от 30 тыс. мкВт в секунду на квадратный сантиметр обеспечивает удовлетворительную скорость уничтожения большинства бактерий. При этом к воде не надо добавлять никаких химических веществ. Это делает УФ-облучение великолепным дезинфицирующим устройством в системах водоочистки.
Обычно источники УФ-излучения размещают во многих точках системы водоочистки. Часто УФ-излучатели размещают как на входе, так и на выходе системы очистки воды, что значительно продлевает время между периодическими санитарными обработками. УФ-излучение инициирует накипеобразование. Поэтому УФ-излучатель, располагающийся в точках, где отмечается повышенное содержание в воде солей жесткости, должен комплектоваться очистительной втулкой (шомполом), а водный канал в этом месте должен быть выполнен из тефлона.
Озон является мощным окислителем, постоянно генерируемым из атмосферного кислорода электрическим разрядом. Озон убивает микроорганизмы с очень высокой скоростью за счет окисления и растворения стенок клеток. Озон, как было показано ранее, легко разлагается на молекулярный и атомарный кислород, который собственно и является окислителем. Процесс разложения озона ускоряется УФ-излучением. Озон - прекрасное вещество для санитарной обработки, так как он мало растворим в воде (0,039% объема) и легко из нее улетучивается. Положительные качества озона являются и его отрицательными качествами: он может окислять полиамидные мембраны, ионообменные смолы и другие полимеры. Озон чаще всего применяется для дезинфекции воды, но может быть использован и в системах очистки, если это позволяют применяемые конструкционные материалы.
Тепло - надежный метод уничтожения микроорганизмов. Оно может быть применено для санитарной обработки картриджей фильтров, угольных фильтров, ионообменных подложек, мембранных систем, трубопроводов, емкостей и так далее. Все системы, подвергаемые тепловой санитарной обработке, должны быть изготовлены из специальных конструкционных материалов. Это особенно верно в случае мембранных и ионообменных систем. Положительные качества тепловой санобработки тем не менее существенно увеличивают эксплуатационные затраты. Минимальная температура, при которой уже приемлема санитарная термообработка, составляет 75°С, но такая температура может вредить мембранам и ионитам. Однако более высокие температуры допустимы при пропарке трубопроводов и емкостей. Поэтому для санитарной обработки мембранных систем и ионитов обычно используют подогретую очищенную воду.
Для санобработки отдельных узлов систем водоочистки могут быть использованы различные химические соединения. Поскольку тепловая санобработка очень дорогая, часто санобработку проводят химикатами, периодически циркулирующими через мембранную систему. Это легко осуществить, если в мембранной системе очистки воды предусмотрена очистительно-промывная система. Главной проблемой при использовании химических веществ для санитарной обработки является возможность их последующего удаления из системы.
Ионы жесткости могут быть легко удалены из воды ионным обменом или мембранным разделением. Ионообменные системы (умягчители), использующие катионообменные смолы в натриевой форме, регенерируются хлоридом натрия. Объем смолы в системе умягчения определяется расходом воды и обменной емкостью смолы. Расход воды не должен превышать 25-40 м3/ч на м3 смолы. Поток менее чем 17 м3/ч на м3 смолы может промывать в ее слое каналы. Поток свыше 50 м3/ч на м3 смолы уменьшит время ее контакта с очищаемой водой и сделает очистку от ионов жесткости неэффективной. Общая обменная емкость смолы в сочетании с расходом воды и концентрацией в ней солей жесткости определяют продолжительность работы ионообменного фильтра между регенерациями и дозировку соли на регенерацию. Контролируя содержание ионов жесткости в воде, выходящей из ионообменного фильтра, устанавливают время переключения его в режим регенерации. Как правило, технологическая схема предусматривает наличие нескольких емкостей, заполненных ионообменной смолой, и возможность переключения с одной на другую. Это позволяет не прерывать работу системы умягчения, а просто выводить на регенерацию те емкости, в которых смола уже сработалась.