Table of Contents

Критическая потребность в безопасной воде в чрезвычайных ситуациях

Стихийные бедствия, зоны конфликтов и вспышки болезней имеют общую и непосредственную угрозу: разрушение безопасной инфраструктуры питьевой воды. Землетрясения разрушают трубопроводы, наводнения загрязняют колодцы сточных вод и заставляют целые народы входить во временные лагеря без санитарии. По данным Всемирной организации здравоохранения, по крайней мере 2 миллиарда человек используют источник питьевой воды, загрязненный фекалиями , и это число резко возрастает во время кризисов. Перенесенные через воду болезни, такие как холера, брюшной тиф и дизентерия, могут убить больше людей, чем сама первоначальная катастрофа в течение нескольких дней, если чистая вода не будет восстановлена.

Поэтому организации по оказанию помощи должны развернуть системы очистки воды, которые являются быстрыми, надежными и способными обрабатывать дико изменчивое качество воды - реки, нагруженные осадками, солоноватыми грунтовыми водами или даже морской водой. Мембранная фильтрация вышла на передний план реагирования на чрезвычайные ситуации, потому что она сочетает в себе переносимость с доказанной способностью удалять широкий спектр загрязняющих веществ, от взвешенных твердых веществ до вирусов и растворенных солей. В этой статье рассматривается, как мембраны создают безопасную питьевую воду в чрезвычайных ситуациях, задействованные технологии, реальные проблемы и инновации, которые обещают еще более устойчивые решения.

Как работает мембранная фильтрация: праймер

В своей основе мембранная фильтрация заставляет загрязненную воду проходить через тонкий полупроницаемый барьер. Барьер спроектирован с микроскопическими порами, которые физически блокируют загрязняющие вещества, позволяя молекулам воды проходить. Принцип прост, но инженерия сложная: мембраны изготавливаются из полимеров или керамики и расположены в модулях - спирально-раненых элементах, пучках из полого волокна или плоских листах - которые максимизируют площадь поверхности в компактном следе.

Эффективность мембраны зависит от ее размера пор. Большие поры (микрофильтрация) улавливают частицы и некоторые бактерии, в то время как более мелкие поры (ультрафильтрация) улавливают вирусы и более крупные молекулы. Жесткие поры (нанофильтрация и обратный осмос) могут отторгать растворенные соли, тяжелые металлы и органические химические вещества. Большинство аварийных систем используют несколько стадий мембранной фильтрации в последовательности, часто предшествуя осадочной префильтрации для защиты более тонких мембран ниже по течению от засорения. Результатом является вода, которая соответствует или превосходит руководящие принципы качества питьевой воды Всемирной организации здравоохранения, произведенная без большого количества химических веществ, требуемых обычными методами хлорирования или флокуляции.

Виды мембран для экстренной очистки воды

Различные кризисные сценарии требуют различных мембранных технологий. Ниже приводится разбивка наиболее распространенных типов, используемых в портативных и быстро развертываемых водоочистных установках.

Обратный осмос (RO)

Обратные осмотические мембраны имеют самые маленькие поры - обычно около 0,0001 микрона - что делает их способными удалять соли, тяжелые металлы, пестициды и практически все микроорганизмы. Это делает RO незаменимым в прибрежных районах, где вторжение соленой воды загрязнило источники пресной воды, или когда морская вода должна быть опреснена непосредственно. Современные аварийные RO-блоки часто питаются от дизельных генераторов, солнечных фотоэлектрических панелей или даже интегрированы в контейнерные системы, пригодные для использования в самолетах. компромисс заключается в потреблении энергии: RO требует высокого давления (обычно 10-15 бар для солоноватой воды, 40-60 бар для морской воды) и производит концентрированный рассол, который должен управляться ответственно.

Нанофильтрация (NF)

Нанофильтрационные мембраны попадают между RO и ультрафильтрацией в размере пор, отбрасывая двухвалентные ионы (кальций, магний, сульфат) и органические молекулы, позволяя проходить моновалентным солям (натрия, хлорида). Это полезно для смягчения жесткой воды и удаления естественного органического вещества, которое может вызвать проблемы со вкусом и запахом. В чрезвычайных ситуациях NF может быть энергоэффективной альтернативой RO, когда первичные загрязнители не растворенные соли, а более крупные органические загрязнители или вирусы. NF мембраны работают при более низких давлениях, чем RO, что приводит к снижению спроса на электроэнергию - критическое преимущество, когда топливо или электросеть дефицит.

Ультрафильтрация (UF)

Ультрафильтрационные мембраны имеют поры около 0,01 микрона, достаточно большие, чтобы проходить растворенные твердые вещества, но достаточно маленькие, чтобы блокировать бактерии, вирусы и частицы. UF является рабочей лошадкой многих систем аварийной фильтрации, потому что он обеспечивает высокий запас прочности против биологических загрязнителей без энергетического штрафа RO. Особенно популярны модули UF с полым волокном: тысячи тонких соломенных волокон сливаются вместе, и вода течет через стенки волокон, в то время как загрязняющие вещества остаются снаружи. Эти модули могут регулярно промываться обратно для удаления загрязнения, продлевая срок службы между химическими чистками. Организации, такие как Международный комитет Красного Креста (ICRC), развернули контейнерные системы UF, которые могут производить тысячи литров в час из загрязненных рек или озер.

Микрофильтрация (MF)

Микрофильтрационные мембраны (размеры пор 0,1-10 микрон) в основном используются для предварительной фильтрации. Они удаляют песок, ил, водоросли и более крупные простейшие кисты (такие как ]Giardia и Cryptosporidium . Поскольку MF не может остановить вирусы или растворенные химические вещества, он редко используется в одиночку для производства питьевой воды в чрезвычайных ситуациях. Однако, как фильтр первой стадии, MF резко снижает нагрузку на мембраны UF или RO, предотвращая быстрое загрязнение и позволяя всей системе работать дольше между циклами очистки.

Мембранные биореакторы (MBR) для расширенных лагерей помощи

Когда лагерь беженцев или временное поселение должны работать в течение месяцев или лет, мембранные биореакторы объединяют биологическую очистку сточных вод с мембранной фильтрацией. Сырье поступает в резервуар, где микроорганизмы переваривают органические загрязнители, а погружённая UF или MF мембрана затем фильтрует микробы и твердые вещества. Сточных вод можно дезинфицировать и повторно использовать для непотенциальных целей (орошение, промывка) или, с дополнительной очисткой RO, превращать в питьевую воду. Системы MBR более сложны, но резко уменьшают потребность в транспортировке воды и экологический ущерб необработанных сточных вод.

Основные преимущества мембранных систем в операциях по оказанию помощи

Принятие мембранной технологии гуманитарными учреждениями обусловлено несколькими явными преимуществами по сравнению с обычными методами лечения, такими как хлорирование, кипячение или пакеты флокуляции / дезинфекции.

  • Портативность и модульный дизайн.] Современные мембранные блоки часто достаточно малы, чтобы поместиться в контейнер для перевозки, и некоторые устройства размером с рюкзак могут производить достаточно воды для семьи. Модульная конструкция позволяет операторам добавлять или удалять мембранные элементы, чтобы соответствовать изменяющемуся спросу без замены всей системы.
  • Быстрое развертывание. Настройка контейнерной мембранной системы занимает часы, а не дни. При землетрясении или наводнении эта скорость может означать разницу между сдерживанием вспышки холеры и наблюдением за ее распространением.
  • Широкое удаление загрязняющих веществ. В отличие от хлора, который неэффективен против некоторых паразитов и может образовывать вредные побочные продукты дезинфекции, мембраны физически удаляют патогены независимо от их профиля резистентности. Это особенно важно в регионах, где устойчивость к противомикробным препаратам повышается.
  • Низкие химические добавки.] Поскольку фильтрация является физической, мембранные системы требуют минимального химического дозирования (часто только небольшое количество хлора или ультрафиолетового света для остаточной защиты). Это снижает затраты на логистику и риск химических разливов в экологически чувствительных районах.
  • Согласованное качество.] Изменения в мутности сырой воды, которые обычно происходят во время проливных дождей или после землетрясений, могут перегружать обычные прояснители и фильтры. Мембранные системы поддерживают почти постоянное качество стоков, поскольку барьер фиксируется и не зависит от колебаний потока вверх по течению.

Преодоление практических вызовов

Несмотря на эти сильные стороны, мембранные системы сталкиваются с реальными препятствиями в чрезвычайных ситуациях. Понимание этих проблем имеет важное значение для планировщиков и операторов на местах.

Энергетика и потребление

Обратный осмос требует устойчивой, надежной мощности. В отдаленных лагерях дизель-генераторы распространены, но требуют топливных конвоев, которые могут быть нарушены конфликтом или погодой. Системы RO на солнечных батареях значительно созрели в последние годы; такие компании, как Evoqua Water Technologies , предлагают контейнерные блоки с интегрированными фотоэлектрическими панелями и аккумуляторами. Однако солнечному RO все еще требуется минимум от четырех до шести пиковых солнечных часов в день, которые могут быть недоступны в облачных или пыльных средах. Команды также должны планировать резервную мощность - часто небольшой генератор - для поддержания работы в течение длительных периодов пасмурного периода или ночью.

Мембранное осквернение и очистка

Нарушение - накопление частиц, биопленки или минеральной шкалы на поверхности мембраны - является наиболее распространенной причиной потери производительности. Префильтрация и периодическая промывка спины смягчают это, но в конечном итоге требуется химическая очистка. В чрезвычайных ситуациях доступность чистящих химических веществ (лимонная кислота, гидроксид натрия или запатентованные моющие средства) может быть непоследовательной. Некоторые новые мембраны включают противообрастающие поверхностные покрытия, которые уменьшают частоту очистки, но они добавляют стоимость. Операторы поля также должны быть обучены распознавать симптомы загрязнения - снижение скорости потока, повышение давления или падение качества проницаемости - и выполнять процедуры очистки на месте без специализированного лабораторного оборудования.

Стоимость и логистика расходных материалов

Мембранные элементы имеют конечный срок службы (обычно от трех до семи лет в идеальных условиях, но намного короче в сложной воде), а замена может быть дорогостоящей. Организации по оказанию помощи часто заключают соглашения о оптовой покупке с такими производителями, как DuPont Water Solutions или Pall Corporation. Кроме того, модули являются хрупкими: полые мембраны волокна могут щелкаться, если они заморожены или сжаты во время транспортировки, а спиральные элементы могут разбиваться, если они подвергаются чрезмерным ударам давления. Защитная упаковка и тщательная обработка во время воздушных перевозок или грузоперевозок по пересеченной местности являются обязательными.

Распоряжение рассолом и отходами

Системы RO производят рассол, который может нанести вред почвам и мелководным грунтовым водам, если сбрасывать его неправильно. В внутренних лагерях это серьезная проблема; рассол должен испаряться в линейных прудах, вывозиться или разбавляться. Появляются некоторые новые технологии с нулевым сбросом жидкости, но остаются слишком энергоемкими для большинства полевых развертываний. Для систем UF и MF отходы представляют собой просто концентрированную суспензию твердых веществ, которые могут обрабатываться аналогично осадку от обычной обработки.

Реальные приложения и истории успеха

Мембранные системы доказали свою ценность в самых сложных условиях на Земле.

После землетрясения на Гаити в 2010 году Инженерный корпус армии США и несколько НПО развернули подразделения по очистке воды от осмоса (ROWPU) , которые производили сотни тысяч галлонов чистой воды в день из загрязненных скважин и рек. Подразделения, построенные по военным спецификациям, являются автономными и могут эксплуатироваться персоналом с минимальной технической подготовкой. Им приписывали резкое снижение заболеваемости холерой в лагерях, где они служили.

В условиях кризиса перемещения населения в Сирии Всемирная продовольственная программа и Агентство ООН по делам беженцев (УВКБ) установили в лагерях по всей Иордании и Ливану контейнерные системы УФ. Вода добывается из мелких колодцев или муниципальных запасов, которые были загрязнены поврежденными канализациями. УФ-мембраны удаляли бактерии и вирусы, не изменяя минерального содержания воды, избегая проблем со вкусом, которые иногда возникают при обработке РО. Жители лагеря сообщили о более высоких показателях приема, что побуждало их пить очищенную воду, а не прибегать к загрязненным источникам.

Совсем недавно, после того, как ураган Мария опустошил Пуэрто-Рико в 2017 году, мобильные системы RO на солнечных батареях, изготовленные такими компаниями, как WaterFX, использовались для очистки солоноватой воды из прибрежных скважин. Системы работали от солнечных панелей и батарейных банков, не нуждаясь в пополнении запасов топлива, и продолжали производить воду, даже когда энергосистема острова оставалась отключенной в течение нескольких месяцев.

Будущее технологий Мембраны в кризисном реагировании

Исследования и разработки подталкивают мембраны к большей устойчивости, снижению спроса на энергию и более легкому обслуживанию.

Солнечные и гибридные системы

Аварийные установки следующего поколения интегрируют RO с фотоэлектрическими панелями и интеллектуальными контроллерами, которые автоматически корректируют рабочие параметры на основе доступного солнечного света. Некоторые конструкции используют гибридный подход: в солнечные часы RO работает от солнечной энергии; в пасмурные периоды небольшой дополнительный этап фильтрации (UF или MF) обеспечивает по меньшей мере безвредную воду, если не полное опреснение. Это обеспечивает непрерывное производство питьевой воды, не полагаясь полностью на батареи или топливо.

Мембранная дистилляция (MD)

Мембранная дистилляция использует низкосортное тепло (легко поставляемое солнечными тепловыми коллекторами или отработанное тепло от генераторов) для прокачки водяного пара через гидрофобную мембрану. Этот процесс менее чувствителен к загрязнению, чем RO, и может обрабатывать рассолы до почти нулевого жидкого разряда. Хотя системы MD в настоящее время громоздче, чем RO-блоки, прототипы развертываемых блоков были протестированы в лагерях беженцев в Иордании и демонстрируют перспективность для источников воды с высокой соленостью, где RO борется.

Нанотехнологические мембраны

Экспериментальные мембраны, включающие углеродные нанотрубки, оксид графена или металлоорганические каркасы, обещают значительно более высокую проницаемость и селективность. Если эти материалы станут доступными, они могут позволить аварийным системам работать при более низком давлении - потребляя меньше энергии - при одновременном удалении вирусов и солей. Полевые испытания все еще ограничены, но лабораторные результаты показывают, что такие мембраны могут быть устойчивы к загрязнению и иметь более длительный срок службы, уменьшая логистическое бремя.

Умный мониторинг и удаленная работа

Подключенные к Интернету датчики, отслеживающие скорость потока, давление и качество воды, теперь позволяют удаленным техническим экспертам диагностировать проблемы и направлять операторов на местах посредством корректирующих действий. Эта возможность особенно ценна, когда зона чрезвычайной ситуации опасна или недоступна. Некоммерческие организации, такие как Water Mission, успешно использовали системы дистанционного мониторинга для управления сотнями солнечных станций водоснабжения в районах бедствий по всей Африке и Карибскому бассейну.

Заключение

Мембранная технология стала краеугольным камнем аварийного водоснабжения, предлагая надежный, масштабируемый и физически надежный метод превращения любого источника воды — реки, озера, солоноватой скважины или океана — в безопасную питьевую воду. Его портативность, быстрое развертывание и широкое удаление загрязняющих веществ делают его важным инструментом для гуманитарных организаций. В то время как такие проблемы, как потребности в энергии, загрязнение и стоимость, сохраняются, постоянные инновации в солнечной интеграции, мембранных материалах и дистанционном мониторинге продолжают раздвигать границы того, что возможно в кризисных ситуациях. По мере того, как изменение климата увеличивает частоту и тяжесть стихийных бедствий, инвестиции в передовые мембранные системы спасут больше жизней и помогут разорвать цикл болезней, передаваемых через воду, которые так часто следуют за катастрофой.