В последние десятилетия проблемы дефицита пресной воды становятся одной из самых острых на планете. Вода — это жизненно важный ресурс, необходимый для поддержания жизни, развития сельского хозяйства, производства и многих других сфер человеческой деятельности. Однако по мере роста населения, увеличения потребности в воде и ухудшения качества водоемов ситуация с водоснабжением продолжает ухудшаться. Эксперты предупреждают, что уже в ближайшие десятилетия значительная часть мира столкнется с крайне ограниченными водными ресурсами. По прогнозам Всемирной организации здравоохранения, в 2050 году более 40% мирового населения будет испытывать нехватку пресной воды. В связи с этим вопросы обеспечения качественной и доступной воды становятся одними из самых важных и актуальных на мировой повестке.
Прогнозы показывают, что в ближайшие десятилетия дефицит пресной воды будет углубляться, особенно в таких странах, как Индия, Китай, а также в странах с жарким климатом, включая Африку и Ближний Восток. В этих регионах, а также в некоторых частях России, потребность в технологии опреснения воды возрастает с каждым годом. Исходя из этого, новые инновационные разработки в области очистки и опреснения воды приобретают большое значение для мирового сообщества. Важно отметить, что это касается не только стран с уже выраженными проблемами водоснабжения, но и стран с относительно благоприятным климатом, в которых последствия изменения климата могут усугубить ситуацию с водными ресурсами.
Ситуация в России
В России особенно остро дефицит воды ощущается в отдельных регионах, где источники пресной воды либо не могут обеспечить потребности населения, либо имеют низкое качество. При этом проблемы с водоснабжением затрагивают не только население, но и экономику. Наиболее ярким примером является ситуация в Крыму, где источники пресной воды сильно ограничены, а потребности в водоснабжении только растут. Местные власти уже не раз заявляли о необходимости использования технологий опреснения морской воды как перспективного источника для водоснабжения. Ситуация в Крыму является следствием не только природных факторов, но и политических, социальных и экономических процессов, что еще более усложняет решение проблемы. В последние годы этот вопрос стал особенно актуален, ведь традиционные методы забора пресной воды из подземных и наземных источников больше не могут удовлетворить потребности региона.
Инновационная технология
Для решения этих проблем появилась инновационная система очистки и опреснения воды, которая может значительно снизить зависимость от существующих источников водоснабжения. Технология, о которой идет речь, была разработана инженером в области водоснабжения и водоотведения Александром Орловым и зарегистрирована в Роспатенте в качестве изобретения № 2837054. Главная особенность системы заключается в том, что она позволяет значительно снизить энергозатраты на очистку или опреснение воды методом обратного осмоса. Это, в свою очередь, делает доступность воды более реальной и экономически выгодной для множества регионов, в первую очередь те, которые переживают водный острый дефицит. Важным элементом этой технологии является использование так называемого явления гидростатического давления, когда давление жидкости внутри емкости напрямую зависит от глубины, что и используется данной системой.
Суть изобретения
Технология, предложенная Александром Орловым, является уникальным решением для очистки и опреснения воды. Она основана на использовании гидростатического давления, перемещения воды сообщающихся сосудах и процесса обратного осмоса. В отличие от традиционных обратноосмотических систем, использующих мощные насосы для повышения давления воды, новая система предполагает более рациональное использование физических процессов. В данном случае основным принципом работы является применение естественных физических законов, которые позволяют добиться высокой эффективности фильтрации при низких энергозатратах.
Особенность этой технологии заключается в том, что она позволяет существенно уменьшить потребление энергии для процесса фильтрации и очистки воды. Согласно расчетам, благодаря использованию принципов, заложенных в данной системе, энергозатраты на очистку воды могут быть уменьшены не менее чем в три раза по сравнению с традиционными методами. Это значительно снижает эксплуатационные расходы и делает технологию более доступной для использования в различных регионах, где водные ресурсы ограничены. Важно отметить, что использование этой технологии позволяет очистить воду в соответствии с самыми современными мировыми стандартами.
Система состоит из модулей, что облегчает ее монтаж и эксплуатацию, а также позволяет гибко подбирать и настраивать оборудование в зависимости от потребностей и географических условий. Такой подход открывает возможности для ее применения как в снабжении водой населения, так и промышленности. Технология может быть адаптирована под различные природные условия, что является важным фактором для ее широкого распространения.
Кроме того, новая система позволяет снизить вредное воздействие на окружающую среду, поскольку процесс очистки воды не требует использования химически опасных реагентов и других вредных веществ, а выпускаемый из системы в водоем концентрат рассола обладает гораздо меньшей концентрацией солей по сравнению с аналогами.
Интервью с изобретателем
ЭВ: Александр, скажите, пожалуйста, как у вас родилась идея системы фильтрации жидкости через полупроницаемые мембраны с использованием гидростатического давления, и в чем заключаются её преимущества?
Александр Орлов: Идея родилась от понимания того, что можно рассмотреть новые физические принципы фильтрации жидкости с пониманием того, что существующие системы обратного осмоса работают с крайне низким КПД, и их работа связана с большим потреблением электроэнергии. При этом другие технологии опреснения либо фильтрации воды с подобным уровнем результата еще более затратны в плане потребления энергетических ресурсов, либо имеют существенные недостатки, не позволяющие масштабировать их использование.
На практике используемая сегодня повсеместно технология обратного осмоса является доминирующей в опреснении воды во всем мире. Этот метод хорош в плане качества фильтрации, однако дорог в плане затрат электроэнергии. Для решения задачи уменьшения энергопотребления мной была изобретена и запатентована система, которая по сравнению с используемыми аналогами способна на единицу очищенной или опресненной воды потреблять в три раза меньше электроэнергии.
Для сравнения можно привести пример применяемых в некоторых случаях рекуператоров и обменников давления в системах обратного осмоса, которые позволяют лишь частично решить проблему больших затрат электричества. Их использование позволяет сохранить не более 40% электроэнергии, и, имея при этом много элементов ненадежности, они не находят широкого применения.
Разработанная мной система фильтрации жидкости через полупроницаемые мембраны с использованием гидростатического давления экономит не менее 70% энергозатрат по сравнению с действующим оборудованием. Она долговечна, работа ее стабильна и позволяет в целом снизить стоимость опресненной воды на 40 -50% по сравнению с обычными системами обратного осмоса.
Из недостатков инновационной системы могут быть отмечены большие капитальные затраты на строительство, но это только на первый взгляд. Учитывая, что мембранные модули размещаются в технических скважинах либо на дне водоема, для их размещения не требуются технические помещения. Более того, необходимая площадь земельного участка для размещения очистных сооружений становится меньше.
Важно отметить также экологический аспект: так как сливаемый концентрат от инновационной системы получается с меньшей концентрацией солей, это сохраняет морскую растительность, не вредит морским обитателям и микробиологии морей в местах слива концентрата. То есть система не оказывает серьёзного влияния на окружающую среду, и это её важное преимущество.
ЭВ: Позвольте, я сразу задам уточняющий вопрос: какой должна быть глубина скважин или какова глубина расположения оборудования, и как это сказывается на себестоимости?
Александр Орлов: Глубина расположения оборудования или глубина скважин зависит от того, какую функцию выполняет система и каково качество исходной воды. Для фильтрации пресной воды глубина относительно небольшая и составляет несколько десятков метров. А вот что касается опреснения морской воды — тут все зависит от так называемого «осмотического давления», которое, в свою очередь, во многом зависит от солесодержания в исходной воде. Как правило, в опреснении речь идет о нескольких сотнях метров технологической потребности в глубине скважины или глубины водоема. Получается так, что чем более соленая вода, тем выше осмотическое давление, а значит, и глубина расположения мембранных модулей и некоторого другого оборудования будет намного больше. В результате в случаях, требующих более глубокого размещения оборудования, капитальные затраты увеличиваются, но полностью окупаются в течение жизненного цикла благодаря тому, что скважина создаётся единоразово на этапе строительства.
Кроме того, чем глубже требуется разместить мембранные модули, тем выше энергетическая эффективность данной технологии. Поскольку процесс фильтрации требует преодоления осмотического давления, традиционные опреснительные установки вынуждены работать с повышенной мощностью, что приводит к значительному росту энергопотребления. Таким образом, хотя, к примеру бурение более глубоких скважин связано с повышенными капитальными затратами, экономический эффект от применения новой технологии оказывается существенно выше за счет снижения эксплуатационных энергетических расходов.
То есть, в случаях, где традиционные методы опреснения требуют значительных энергозатрат, предлагаемое решение позволяет компенсировать этот недостаток за счет увеличения глубины размещения мембранных модулей.
Если говорить о конкретных цифрах, то с точки зрения рабочих параметров для очистки воды таким методом рассматриваются глубины от 30 до 60 метров, а вот для опреснения воды уже потребуются глубины от 400 до 800 метров, с учётом того, что если говорить о скважинном типе системы, то в каждой скважине могут располагаться сразу несколько десятков мембранных модулей, что также несколько влияет на ее глубину.
Как показано в графических материалах патента на изобретение, система реализуется в двух вариантах исполнения: скважинном и донном. Каждый тип имеет свои преимущества и ограничения, а выбор оптимального решения определяется местными условиями, прежде всего — характеристиками грунта.
Так, например, скважинный тип наиболее эффективен для районов с мягкими грунтами, где возможно проведение буровых работ, а вот донный тип предусматривает размещение мембранных модулей и сопутствующего оборудования непосредственно на дне водоёма и рационален для: территорий где бурение скважин технологически затруднено, но есть возможность берегового расположения сооружений с крутыми береговыми склонами (характерными для скальных пород), что облегчает размещение оборудования на расчётных глубинах.
Существенным критерием выбора типа системы является также сейсмическая активность района предполагаемого места размещения сооружений.
Донный тип системы гораздо более устойчив к сейсмическим воздействиям, а также практически применим в прибрежных зонах, где сочетание высокой сейсмической опасности, скального грунта и крутого берегового рельефа делает донный вариант приоритетным техническим решением.
Важной особенностью системы является реализация специального режима промывки мембран обратного осмоса специальным промывочным раствором, причем алгоритм и технология позволяют промывать мембраны без воздействия гидростатического давления на них, что сохраняет их ресурс и долговечность. Сам состав промывочного раствора можно подбирать индивидуально в зависимости от вида возможных отложений на мембранах.
ЭВ: На наш взгляд, Ваша техническая мысль очень близка технологическому укладу Европейских стран, направленному на ресурсосбережение…
Александр Орлов: Эта технология важна не только для Европы, её можно использовать где угодно. К примеру, в странах Персидского залива уже есть существующие пустые скважины, законсервированные после исчерпания нефтяных ресурсов, пригодные для системы, и на фоне острого водного дефицита актуальны для использования в целях опреснения воды. В Сингапуре, например, ввиду водного кризиса используется так называемое оборотное водоснабжение, когда канализационные стоки после глубокой биологической очистки используются повторно в целях водоснабжения, но перед этим уже условно чистая вода проходит через системы обратного осмоса с целью получения высокого качества питьевой воды. В целом карта дефицита пресной воды в мире очень обширна, и получается так, что водному кризису сейчас подвержены большинство стран.
В том числе и в России, несмотря на большие запасы водных ресурсов в целом, ряд городов и регионов, например г. Новороссийск, Республика Крым, некоторые районы Дальнего Востока, испытывают дефицит воды.
ЭВ: Если вернуться к стоимости эксплуатации системы на протяжении жизненного цикла, то как быстро ощутим экономический эффект от экономии электроэнергии?
Александр Орлов: В каждом конкретном случае производится технико-экономический расчет, который включает в себя многие показатели, в том числе и стоимость электроэнергии. На основании такого расчета делается расчет экономический, в котором сроки окупаемости, как правило, составляют 5-6 лет. При этом можно еще учитывать экономию на строительстве энергосетей, поскольку энергопотребление существенно снижается, снижаются и капитальные затраты на строительство энергосистем.
В среднем при стоимости электроэнергии около 5 рублей за киловатт стоимость опресненной воды составит около 20-30 рублей за кубометр, а в случае использования системы для очистки воды — намного дешевле.
Однако инновационная система все же имеет и недостаток, которым является отсутствие оперативного доступа к оборудованию, располагаемому на глубине. Но с учетом используемой технологии такой доступ нужен не часто, так как интервалы между капитальными ремонтами и заменой мембранных модулей в среднем составляют от 4 до 5 лет.
ЭВ: Все компоненты Вашей системы могут быть изготовлены в России?
Александр Орлов: Да, по большей части все основные материалы и оборудование уже изготавливаются российскими предприятиями, но есть и зарубежные аналоги, эквивалентные по своим характеристикам.
ЭВ: Александр, на какой стадии находится внедрение системы и кому будет в первую очередь выгодно ей воспользоваться?
Александр Орлов: Изначально была задача запатентовать систему, и 25 марта 2025 года на основании рассмотрения документов и проведенных экспертиз Роспатент выдал патент на изобретение № 2837054. В настоящий момент проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (так называемые НИОКР). По завершении НИОКР можно будет разрабатывать типовые проекты или типовые проектные решения и согласовывать их в экспертных организациях. После этого возможно масштабирование использования технологии в коммерческих целях.
И тут в первую очередь во внедрении системы заинтересованы коммерческие потребители, которые в данном случае получают независимый источник воды высокого качества.
В настоящее время опытно-конструкторский прототип для очистки воды уже создан и испытан, так что можно сказать, что первые кубометры очищенной воды уже получены. Но для того, чтобы запустить идею в коммерческом плане, разумеется, должно пройти определённое время и найтись заинтересованный инвестор.
Схема
Ниже мы приводим схему системы фильтрации жидкости через полупроницаемые мембраны с использованием гидростатического давления, автором которой является Александр Орлов. Надеемся, что она привлечёт внимание инвесторов и потребителей и послужит на пользу страдающих от нехватки пресной воды регионов России и других стран мира.
Предложенная система фильтрации состоит из устройства забора воды, откуда насос подаёт исходную воду в устройство предварительной подготовки жидкости к подаче её на мембрану. Это защищает мембрану от повреждения и преждевременного выхода её из строя. Этот модуль может включать в себя: очистку от грубых частиц, дезинфекцию, нормализацию давления, pH-балансировку и другую обработку, диктуемую физическим, химическим и бактериологическим состоянием исходной жидкости.
Пройдя полупроницаемую мембрану обратноосмотического блока, чистая вода попадает в буферный резервуар для очищенной жидкости, а концентрат через систему трубопроводов поднимается наверх по принципу сообщающихся сосудов и далее выпускается из системы вне зоны влияния на заборное устройство.
Из буферного резервуара очищенная вода с помощью насоса поднимается наверх и хранится в резервуаре очищенной воды. Возникающие в результате накопления и отбора воды колебания давления в буферном резервуаре нивелируются компенсатором давления.
Данная система также предусматривает возможность периодической удалённой технологической промывки мембран. При этом для проведения промывки мембран не требуется снижение давления жидкости на подаче к ним.
Механизм управления потоками в виде запорно-управляющих устройств перекрывает подачу исходной жидкости, отвод чистой жидкости и концентрата. Для уравнивания давления между стенками мембраны (что необходимо для процесса промывки) насос перекачки чистой жидкости выключается.
Затем с помощью специального насоса на мембраны подаётся промывочная жидкость из специальной ёмкости. Пройдя через мембрану и по каналам отвода концентрата, промывочный состав возвращается в исходный резервуар.
По истечении времени, необходимого для качественной очистки, механизм управления поэтапно переводит систему в рабочий режим очистки воды. Подаётся предварительно очищенная и подготовленная вода; она смывает остатки промывочного состава в его исходный резервуар. Затем контур промывки отключается, и система продолжает работу в режиме фильтрации.
Заключение
Новая технология очистки и опреснения воды, предложенная Александром Орловым, является важным шагом к решению проблемы водоснабжения в России и других странах, испытывающих дефицит пресной воды. Ее преимущества, такие как значительная экономия энергии, улучшение экологии и повышение доступности воды, могут существенно изменить текущую ситуацию и сделать воду доступной для миллионов людей. Эти инновации открывают новые горизонты в области водных технологий и обещают помочь решить одну из самых серьезных проблем человечества — проблему дефицита пресной воды.
