ChSTU repository

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
КАФЕДРА ХІМІЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ВОДООЧИЩЕННЯ 
 
Реєстраційний №________  
          «Допущено до захисту» 
     Завідувач кафедри  д.т.н., професор 
     _________Геннадій СТОЛЯРЕНКО 
                                                                       «____»  _________________2021р. 
 
 
КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА МАГІСТРА 
на тему 
РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СХЕМИ ТА АПАРАТУРНОГО 
ОФОРМЛЕННЯ ОТРИМАННЯ ПИТНОЇ ВОДИ З 
ВИКОРИСТАННЯМ МЕМБРАННОЇ ТЕХНОЛОГІЇ  
за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія» 
 
 
Науковий керівник Виконавець роботи 
д.т.н., професор магістрант 
  
___________ Геннадій СТОЛЯРЕНКО __________  Андрій ТКАЧЕНКО 
  
  
  
  
  
  
      Нормоконтроль                         Наталія ФОМІНА 
  
 
 
Черкаси 2021 
 
Вступ 
Нерівномірність розподілу прісної води по регіонах планети, в тому числі 
в межах окремих країн, зростаючий обсяг споживання прісної води 
промисловим та аграрним виробництвами, а також комунально-побутовою 
сферою на фоні безперервного зниження якості природних вод внаслідок їх 
антропогенного забруднення ставлять забезпечення населення планети якісною 
питною водою в ряд найважливіших соціально-економічних проблем світового 
співтовариства. Особливо гострою є ця проблема для країн, де запаси 
природної прісної води обмежені.  
Традиційні способи очищення води - механічні, хімічні або реагентні - 
не забезпечують в більшості випадків необхідну ефективність очищення. 
Особливий інтерес викликають мембранні методи розділення - зворотний 
осмос, ультрафільтрація і мікрофільтрація, що дозволяють очищати воду від 
солей, органічних речовин, колоїдів і суспензій. 
Мембранні системи водопідготовки, промислове освоєння яких 
розпочалося приблизно з 1985 року, в даний час застосовуються практично у 
всіх галузях, які споживають очищену воду. 
Перші штучні мембрани були виготовлені в XIX столітті з обробленою 
в азотній кислоті клітковини (целюлози) - сировини, яка є нічим іншим як 
оболонками рослинних клітин, тобто природними мембранами. З нітрату 
целюлози навчилися робити целулоїд, а пізніше целофан, але з виявленої у них 
Мікропористий активно боролися, так як хотіли отримати в першу чергу 
захисні матеріали, непроникні для повітря і вологи. І тільки в 1960 році Лоебом 
і Соуріраджаном була винайдена мембрана з іншого виду модифікованої  
целюлози - ацетату, яка була вже придатна для практичного застосування. 
Мембрани, як і інші фільтруючі матеріали, можна розглядати як 
напівпроникні середовища: вони пропускають воду, але не пропускають, 
точніше, гірше пропускають деякі домішки. Однак якщо звичайне фільтрування 
застосовують для видалення з води відносно великих утворень - дисперсних і 
великих колоїдних домішок, то мембранні технології - для вилучення дрібних 
колоїдних частинок, а також розчинених сполук. Для цього мембрани повинні 
мати пори дуже малого розміру. 
Рушійною силою, що примушує рідину проникати через перешкоду у 
вигляді тонкої перегородки, може бути: 
а) прикладена тиск; 
б) різниця концентрацій розчинених речовин; 
в) різниця температур по обидві сторони перегородки; 
г) електрорушійна сила. 
 
Основна відмінність мембран від звичайних фільтруючих середовищ полягає в 
тому, що вони тонкі, і видаляються домішки затримуються не в обсязі, а тільки 
на поверхні мембрани. 
Бродуємкість поверхні, очевидно, набагато менше, ніж у обсягу. Здавалося 
б, мембрана повинна через це дуже швидко засмітитися і перестати пропускати 
воду. Так би воно й було, якби в мембранному фільтрі не відбувалося 
постійного самоочищення мембрани. 
Для цього застосовується так звана «тангенціальна» схема руху води в 
апараті, при якій збирають воду з обох сторін мембрани: одна частина потоку 
проходить через мембрану і утворює фільтрат (або пермеат), тобто очищену 
воду, а іншу направляють уздовж поверхні мембрани, щоб змивати затримані 
домішки і видаляти їх із зони фільтрації. Ця частина потоку називається 
концентратом або ретентат, і зазвичай її або скидають в дренаж, або 
(наприклад, при очищенні гальванічних стоків) відводять для подальшої 
обробки і виділення потрібних компонентів. Таким чином, вузол мембранної 
фільтрації має один вхід і два виходи, і частина води постійно витрачається на 
очищення мембрани. 
Найважливіші завдання в галузі очищення, є підвищення 
енергоефективності, надійності, екологічності та безперебійного постачання 
високоякісної питної води для населення країн СНД, ближнього і далекого 
зарубіжжя. Особливе місце у вирішенні цих проблем відводиться подальшій 
переробці води з природних джерел у системах водопідготовки. 
Метою дослідження є науково обгрунтований підхід до нової 
наномембранної технології, яка не знайшла широкого застосування у сфері 
приготування побутової питної води. 
У виконаній роботі розроблено технологію підвищення якості 
приготування побутової питної води на комбінованій установці було 
теоретично та експериментально обґрунтовано. Розроблено та випробувано 
ультрафільтраційну та наномембранну установки, а також установку для 
ультрафіолетового знезараження води, що демонструє високу ефективність 
очищення води. Дослідження присвячені розробці технологічної схеми 
очищення високомінералізованих поверхневих і концентрованих вод на 
комбінованій очисній станції для отримання високоякісної побутової питної 
води, що відповідає санітарно-гігієнічним нормам. 
Одним із сучасних ефективних шляхів розвитку систем питного 
водопостачання є використання мембранних технологій, стан яких на ринку 
демонструє стійкі тенденції до розширення сфери їх застосування. 
На питну воду «працює» багато пристроїв і великих установок. Розвиток 
методу нанофільтрації (вид зворотного осмосу з низькою грязеутримуючою 
здатністю) дає можливість використовувати цей метод для очищення 
поверхневих і підземних вод замість традиційних методів.  
Це пояснюється надзвичайно високою ефективністю нанофільтраційних 
мембран у зниженні концентрації органічних забруднень, як 
високомолекулярних (гумінових і фульвових кислот, що утворюють колір), так 
і низькомолекулярних, зокрема хлорорганічних речовин, особливо небезпечних 
для здоров’я людини.  
Саме процес нанофільтрації може мати вирішальний вплив на формування 
нового напряму питного водопостачання – створення великих станцій 
централізованого питного водопостачання.  
Такі нанофільтраційні станції потужністю 10 тис. м3 води на годину і 
більше вже працюють у кількох європейських містах (Париж, Амстердам), 
США та Австралії. 
Високі темпи виробництва мембран і постійна поява нових типів мембран 
з неухильним зниженням їх вартості вимагають від розробників водоочисного 
обладнання знання можливостей мембран і навичок використання мембранних 
процесів у технологіях водопідготовки.  
Тут важливо вміння правильно підібрати типи мембранного обладнання, 
технологічну схему, реагенти для роботи тощо. Виробники мембранного 
обладнання постачають своїм клієнтам програмне забезпечення, яке дозволяє 
їм розраховувати та проектувати системи мембранної очистки води та 
правильно використовувати характеристики 
використовувані мембрани. Розроблене програмне забезпечення базується 
на дослідженнях залежності характеристик мембран від складу вихідної води, 
заданих пар 
Досвід Південної Кореї відіграє важливу роль у формуванні сучасного 
ринку мембран і мембранних технологій, зокрема фірми «Сайхан» – одного з 
найбільших світових виробників зворотного осмосу та нанофільтраційних 
мембран та очисників води на основі зворотноосмотичних мембран.  
Наявність «ринку», тобто потреба в мембранних системах, створила 
найбільшу мембранну промисловість. Корейські фірми виробляють 2,5-3 
мільйони мембранних очисників води на рік. Створення мембранного 
виробництва в Кореї сталося несподівано для всіх і швидко.  
До 1996 року спеціалісти з обробки води в відділі досліджень і розробок 
компанії «Samsung» займалися технологією зворотного осмосу в Кореї. Але 
навіть на початку 1996 року, коли фахівці з досліджень і розробок 
продемонстрували роботу пілотних ліній з виробництва мембран і пристроїв, 
керівництво компанії все ще скептично ставилося до можливості створення 
компанії, яка б відповідала потребам місцевого ринку в конкурентоспроможній 
мембранній продукції.  
Однак відділ R&D, відокремившись від «Samsung» і організувавши 
компанію SAIHAN, потім швидко налагодив виробництво мембран світового 
класу, витіснивши японських та американських конкурентів не тільки на 
корейському, а й на світовому ринку. 
Поставлено мету наукового обгрунтування енергетичних характеристик 
ВТП, для досягнення якої визначено наступні завдання: 
• обгрунтувати метод підвищення ефективності КПВП шляхом 
попереднього підвищення якості первинної та додаткової очистки очищеної 
води; 
• запропонувати шлях підвищення якості питної води з джерела 
водопостачання на основі покращення ультра- та нанофільтрації; 
• розрахувати енергетичні показники КПВТ на основі даних, отриманих 
експериментально. 
Зростання впровадження мембранних технологій на основі ультра- і 
нанофільтрації, зворотного осмосу та електродіалізу, перспективи розвитку цих 
мембран пояснюються величезними можливостями та універсальністю цього 
методу, що забезпечує вирішення різноманітних проблем у галузі. питне та 
технічне водопостачання в наукових працях. 
Проведено чимало досліджень у галузі використання мембран для 
очищення води в системах централізованого водопостачання, для додаткового 
очищення водопровідної води в міських будівлях, для очищення води на 
енергетичних об’єктах. Технології зворотного осмосу та електродіалізу 
прийнятні також для доочищення стічних вод при використанні в 
циркуляційній системі на промислових підприємствах, а також для очищення 
та утилізації стічних вод міського водопроводу. 
 
Технологічна структурна схема комбінованої очисної споруди (СОС) 
 
 
 
 
1. Мембранні методи знесолення води 
Серед мембранних методів найбільш затребуваними є баромембранні 
процеси, в яких перенесення речовини через мембрану відбувається під дією 
різниці тисків. Завдання, які вирішуються за допомогою баромембранних 
процесів, можуть переслідувати різні цілі. В одному випадку це може бути 
глибоке очищення забруднених вод. 
В іншому не менше значення, ніж ступінь очищення води, має ступінь 
концентрування домішок, коли багатоступінчастий процес із застосуванням 
мембран різного типу дозволяє максимально збільшити вміст речовини, що 
виділяється при відносно низьких робочих тисках . У третьому - з'являється 
можливість об'єднання в одному процесі очищення, концентрування та 
фракціонування речовин. 
Звідси випливає, що потреби у різноманітних за властивостями 
мембранних матеріалах, що поєднують високу роздільну здатність і питому 
продуктивність із стійкістю в розчинах з широким діапазоном рН та агресивних 
середовищах, постійно зростатимуть, а асортимент мембран повинен постійно 
розширюватися. Зворотний осмос Зворотний осмос – баромембранний поділ 
дійсних розчинів (розмір частинок 0,0001–0,001 мкм; тиск 3,0–10 МПа). 
Широко використовується для знесолення розчинів та отримання особливо 
чистої води. У промисловості став застосовуватися після 1962 р., коли С. Лоеб 
та С. Соуріраджан отримали асиметричні ацетилцелюлозні мембрани, що 
складаються з тонкого та щільного активного шару з вузькими порами, та 
товстого шару з широкими порами. Оскільки фактичною товщиною такої 
мембрани є товщина активного шару, потік через таку анізотропну мембрану 
значно більше ніж через однорідну ізотропну мембрану.  
Процес селективної проникності мембран по відношенню до кодних 
розчинів електролітів можна розглядати наступним чином. На поверхні та 
всередині пор (капілярів) ліофільної мембрани, зануреної в розчин електроліту, 
виникає шар зв'язаної води. Цей шар хіба що утворює окрему особливу фазу зі 
своїм межею розділу товщиною tc (рис. 1.1). Вода на межі розділу фаз 
мембрана-розчин, за своїми властивостями відрізняється від вод у вільному 
стані. 
Наприклад, пов'язана вода значною мірою втрачає розчинну здатність. 
Тому наявність зв'язаної води у порах мембрани – одна з основних причин 
непрохідності для тих модекул розчинених речовин, для яких пов'язана вода 
практично не є розчинником. Якщо діаметр d пір мембрани d≤2tc+dг.і. (де dг.і. 
– діаметр гідратованого іона), то через таку пору проходитимуть лише або 
переважно вода, що й обумовлює селективність таких мембран.  
Оскільки реальні мембрани мають пори різного розміру, у тому числі й 
великі, що перевищують величину (2tc+dг.і.), а пов'язана вода хоча і в дуже 
малих кількостях, але все ж таки розчиняє неорганічні солі, то їх селективність 
зазвичай не досягає 100 % , але має бути тим вищою, чим більша товщина шару 
зв'язаної води і чим більша гідратуюча здатність іона. 
Затримуюча здатність мембран у водних розчинах відповідає наступним 
ліотропним рядам: 
 
 
Рисунок 1.1 – До пояснення механізму напівпроникності мембран 
Зворотний осмос може бути реальним варіантом видалення нітратіонів як у 
муніципальних службах, і у побутових умовах. Зворотний осмос 
використовується для очищення води від декількох забруднюючих речовин 
одночасно, у тому числі іонів (наприклад, нітрат, миш'як, натрій, хлорид і 
фторид), твердих частинок (наприклад, азбест) та органічних компонентів 
(наприклад, деякі пестициди). 
Метод зворотного осмосу – це процес проходження розчинів під тиском 
через напівпроникні мембрани, які пропускають розчинник, повністю чи 
частково затримують молекули чи іони розчинених речовин. Рушійною силою 
процесу зворотного осмосу є перепад тиску ∆P=P-π, де P – надлишковий тиск 
під розчином; π– осмотичний тиск розчину (рис.1.2). 
 
Рис. 1.2 – Схема разделения раствора обратным осмосом  
До переваг зворотного осмосу відносяться: одержання високоякісної води, 
комплексне видалення забруднень, опріснення, можливість автоматизації 
процесу, порівняно невеликі енерговитрати. У роботі наведено порівняння 
зворотного осмосу та електродіалізу "... кращим економічним вибором для 
малих систем продуктивністю технології". У водах, де висока мінералізація є 
проблемою, зворотний осмос може бути більш сприятливим, ніж застосування 
іонного обміну. 
До недоліків зворотного осмотичного методу можна віднести необхідність 
підтримки високих тисків, які при очищенні води або опрісненні 
концентрованих розчинів можуть досягати 10-25 МПа. Це обмежує можливість 
використання зворотного осмосу в області опріснення, незважаючи на низькі 
витрати енергії. Також іноді необхідно створювати установки зворотного 
осмосу каскадного типу, коли опріснення здійснюється в кілька стадій, потік 
пермеату першого ступеня надходить на наступний ступінь як вхідний і 
знесолювання на другому щаблі. Водні розчини, що подаються на мембрану, не 
повинні містити колоїдних та завислих речовин, солей кальцію та магнію, 
здатних до осадоутворення. 
Також з розчину, що подається на обробку, повинні бути видалені 
мікроорганізми через те, що продукти їхньої життєдіяльності руйнують і 
забруднюють мембрани. Таким чином, до недоліків методу зворотного осмосу 
відносяться високі капітальні, експлуатаційні та технічні витрати, 
сприйнятливість мембран до забруднення, високі вимоги до попередньої 
обробки води, великий обсяг відходів, що потребують утилізації. 
Незважаючи на всі наведені вище недоліки, мембранні технології 
набувають все більшого поширення для підготовки, опріснення питної води та 
обробки стоків. Це пов'язано, перш за все з тим, що мембранні технології 
забезпечують одержання води стабільної та прогнозованої якості. Зворотний 
осмос дозволяє знижувати концентрацію нітрат-іонів до дуже низьких значень. 
Так було показано, що пілотна установка з композитною мембраною FT-30 
здатна затримувати до 90% нітрат-іонів. 
 Однак зазначається, що не всі зворотноосмотичні мембрани придатні для 
видалення нітрат-інів - окремі типи мембран можуть мати задовільний 
затримуючу здатність по відношенню до інших іонів і при цьому дуже низький 
коефіцієнт затримання нітрат-іонів. 
Результати роботи установок зворотного осмосу щодо видалення 
нітратіонів з артезіанських вод наведено у роботах. За даними роботи, метод 
зворотного осмосу дозволяє очищати воду від нітрат-іонів із витратами 
електроенергії 0,95-1,8 кВт-год/м3 води. Відомості про більш ніж 20 тис. 
годинної експлуатації зворотньоосмотичної установки в м. Аахені (Німеччина). 
Установка продуктивністю 2 м3/год працювала під тиском 1,4 МПа. Попереднє 
очищення води здійснювали фільтрацією через патронний фільтр з подальшим 
дозуванням кислоти для попередження гіпсування. У мембранному модулі 
використовували композитні мембрани. Ступінь очищення води за нітрат-
іонами становив 93-95%, коефіцієнт використання води - 75-80%. При 
неможливості скидання розсолу зі стадії зворотного осмосу рекомендується 
концентрувати його реверсивним електродіаліз та випаровуванням. Такий 
варіант забезпечує підвищення загального коефіцієнта використання води до 
98%. Порівняльний аналіз та оцінка можливості використання зворотного 
осмосу та електродіалізу (у тому числі з реверсивною поляризацією) проведені 
в роботі. 
У дослідах використовували напіввиробничі установки продуктивністю 2 
та 7 м3/год. Вихідні та кінцеві значення концентрації нітрат-іонів у воді 
становили 100 та 50 мг/дм3 . Було показано, що при можливості 
безконтрольного скидання концентрату зворотний осмос та електродіаліз 
мають ідентичні економічні показники. При цьому зворотний осмос має 
переваги у разі малої продуктивності завдяки простоті експлуатації. Переваги 
електродіалізу (можливість довести коефіцієнт використання води до 99 %) 
проявляється за необхідності створення безстічних систем та концентрування 
розсолу кристалізацією – випаркою. Слід зазначити, що за кордоном нині 
створено ґрунтовну базу для використання мембранних технологій у практиці 
водоочищення. 
У, Японії, країнах Близького Сходу набули широкого поширення 
обратноосмотические апарати продуктивністю від одиниць до 1000 м3 /год . У 
Каліфорнії система очищення води забезпечується трьома підземними 
джерелами, у воді одного з них вміст нітрат-іонів перевищує ГДК і становить 
75-84 мг/дм3. Зворотний осмос з використанням мембран фірми Osmonics та 
подальшого розведення пермеату надійно знижують вміст нітрат-іонів до 
концентрації < 35,4 мг/дм3. Очищення води проводиться при її надходженні з 
семи підземних джерел, у яких вміст нітрат-іонів коливається від 20,02 до 112,9 
мг/дм3. Загальний вміст вмісту вихідної води становить 580–1000 мг/дм3, на 
виході – не більше 280 мг/дм3. Ступінь очищення від нітрат-іонів 95-98%, 
ефективність використання води 80%. 
Максимальна концентрація нітрат-іонів після очищення – 35 мг/дм3 
(зазвичай менша і становить близько 4,4 мг/дм3). Виробник – Hydranautics та 
Hydrocode, тип мембрани CPA2. 
Під час підготовки питної води в роботі  використовували 14 свердловин, 
11 з яких мали завищені рівні нітрат-іонів від 114 до 351 мг/дм3. Загальний 
солевміст становив 1100 мг/дм3. Очищення складалося з комбінування 
зворотного осмосу (мембрана Dow 400 BW-30), іонного обміну та розведення. 
60% загального потоку води із свердловин оброблялося зворотним осмосом, 
27% - іонним обміном, 13% - проходило через вакуумно-повітряне очищення 
перед розведенням. 
Максимальна концентрація нітрат-іонів у воді на виході із системи 
очищення становила не більше 36 мг/дм3 (але зазвичай не перевищувала 10 
мг/дм3). 
Для отримання питної води з 8 свердловин, рівень нітрат-іонів у яких 
становив 53-260 мг/дм3 у роботі передбачено 3 стадії обробки: зворотний 
осмос, іонний обмін, розведення. Зміст нітрат-іонів після зворотного осмосу 
(мембрана Dow/Filmtec Model BW30-400 компанії PROTEC Bekaert) становив 
25-35 мг/дм3 після іонного обміну перед розведенням - 4 мг/дм3. 
В іншій роботі  присвячено дослідженням особливостей вилучення 
нітратів методом нанофільтрації з використанням органічних речовин 
катіонного типу з високою молекулярною масою (полігексаметиленгуанідин 
(ПГМГ)). У цьому роботі показали, що з додаванні у вихідну пробу із вмістом 
нітратів 100 мг/дм3 ПГМГ до утворення масового співвідношення нітрат-іон: 
ПГМГ = 5:1 забезпечувало їх затримування лише на рівні до 88 %. Концентрат, 
отриманий після нанофльтрації, містив значну кількість ПГМГ і нітрат-іонів. 
Запропоновано поділ даних компонентів мікрофільтрацією в результаті чого 
отримали концентрат і пермеат містить нітрат-іони відповідно 750 і 520 мг/дм3, 
що не вирішує проблему утилізації або переробки даних іонів. 
  
2 МЕТОДИКА ВИВЧЕННЯ ПРОЦЕСІВ ЗВОРОТНОГО ОСМОСУ ТА 
ЕЛЕКТРОДІАЛІЗУ 
 2.1 Експериментальна установка непроточного типу Експериментальна 
установка непроточного типу для вивчення закономірностей процесів 
зворотного осмосу низького тиску складалася з магнітної мішалки 1 
зворотноосмотичної осередку 2 заповненої досліджуваним розчином. У комірці 
забезпечувався вихід пермеату через трубку 3 збірник 4. Тиск в комірці 
створювали стислим азотом, який надходив по трубі 5 з балона 8. Тиск в 
системі регулювали і контролювали відповідно вентилем 7 і манометром 6 (рис. 
2.4).  
Малюнок 2.4 – Схема експериментальної зворотноосмотичної установки 
непроточного типу 1 – магнітна мішалка; 2 – зворотноосмотичний осередок; 3 – 
вихід пермеату; 4 – збірка пермеату; 5 - газопідвідна трубка; 6 – манометр; 7 – 
вентиль для регулювання тиску; 8 – балон зі стисненим азотом 
 
Рисунок 2.5 – Загальний вигляд експериментальної зворотноосмотичної 
установки непроточного типу 2.3.2 Дослідно-промислова зворотньоосмотична 
установка рулонного типу продуктивністю до 15 дм3/година Схема та 
загальний вигляд цієї установки представлені на рис. 2.6 та 2.7. Установка 
призначена для випробування промислових зворотноосмотичних рулонних 
елементів марки TFC-75F та ESPA1-4040. Вона складається з ємності 1, 
заповненої досліджуваним розчином або природною водою, вентилів 2, 3 
насосів, обратноосмотичного блоку 4, манометра 5. На виході пермеат і 
ретентат повертають в ємність 1 для рециркуляції. 
 
 
 
Малюнок 2.6 – Схема дослідно-промислової зворотноосмотичної 
установки рулонного типу з рециркуляцією 1 – ємність для вихідного розчину; 
2 – вентилі; 3 – насоси; 4 – зворотноосмотичний вузол; 5 – манометр 
Малюнок 2.7 – Загальний вигляд дослідно-промислової 
зворотноосмотичної установки рулонного типу з рециркуляцією. 
 
Дослідно-промислова зворотньоосмотична установка рулонного типу 
продуктивністю до 40 дм3/год. 
Схема та загальний вигляд цієї установки представлені відповідно на рис. 
2.8 та 2.9. Вихідну воду з ємності 1 подавали насосом 3 на механічний 
картриджний фільтр 4, потім на вугільний фільтр 5. За допомогою наступного 
насоса 3 воду направляли зворотносмотичний блок 6, а потім концентрат з 
цього блоку - назадосмотичний блок 7; тиск у системі контролювали 
манометрами 8. Вода після очищення та концентрат надходили в ємність 1 для 
рециркуляції. 
 
Рисунок 2.8 – Схема промислової зворотноосмотичної установки рулонного 
типу з рециркуляцією продуктивністю до 40 дм3/год 1 – ємність для вихідного 
розчину; 2 – вентилі; 3 – насоси; 4 – мікрофільтр; 5 – вугільний фільтр; 6, 7 – 
зворотноосмотичні блоки; 8 – манометри 
Рисунок 2.9 – Загальний вид промислової зворотноосмотичної установки 
рулонного типу з рециркуляцією продуктивністю до 40 дм3/год. 
 
 
 
 
2.2 Розрахунок робочих характеристик мембран 
 Робочі характеристики зворотноосмотичних та нанофільтраційних мембран 
Робочі характеристики цих мембран - коефіцієнт затримування (R) та питома 
продуктивність (Jv) визначали на експериментальній установці непроточного 
типу з мішалкою, схема якої представлена на рис. 2.4. Коефіцієнт затримування 
іонів розраховували за такою формулою: 
 
де Сісх і Сперм – концентрація домішки відповідно у вихідному розчині та 
пермеаті. Питому продуктивність розраховували за такою формулою:  
 
де V - обсяг пермеату, м3; S - площа робочої поверхні мембрани, м 2; τ – 
час фільтрування, година. Ступінь відбору пермеату розраховували за такою 
формулою: 
 
де Vочищ - об'єм очищеної води, дм 3; Vвхід - обсяг води, що входить, дм 3 
Робочі параметри іонообмінних мембран Вихід за струмом Вm 
розраховували згідно з 1-м законом Фарадея як відношення фактичного 
масопереносу mf до теоретичного масопереносу mt згідно з 1-м законом 
Фарадея 
 
де n - Заряд іона; μ – молярна маса (г/моль); F – число Фарадея (≈ 96500 
Кл·моль-1); t – час (сек); I – сила струму (А). 
 
 
 
3 ІННОВАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ОПРІСНЕННЯ ВОДИ 
3.1 Найекономніша технологія опріснення. 
Корпорація Saline Water Conversion Corporation (SWCC) нещодавно була 
визнана Книгою рекордів Гіннеса за встановлення світового рекорду зі 
зниження споживання енергії при опріснення води до 2,271 кВт·год на 
кубічний метр. SWCC досяг цього етапу, впровадивши інноваційні технології, 
які знижують використання електроенергії та вартість виробленої води в галузі 
опріснення. 
Книга рекордів Гіннеса зазначила, що підтвердила цю цифру в березні 
2021 року. 
Технологія, яка використовується в установках, - зворотний осмос (RO). 
Нові установки — це системи забору морської води, що працюють за 
допомогою технологій рекуперації енергії та оснащені високоефективними 
насосами для рекуперації енергії (ERD). 
«Ми пишаємося цим знаменним досягненням, занесеним у Книгу рекордів 
Гіннеса. Відповідно до Бачення 2030, SWCC працює над тим, щоб дати місцеві 
таланти у своїх поточних і майбутніх проектах розвитку; ця ініціатива охопила 
повний життєвий цикл проекту, використовуючи вже існуючі компетенції та 
досвід щоб повністю локалізувати індустрію опріснення», — Абдулла Ібрагім 
Аль-Абдулкарім, губернатор корпорації з перетворення солоної води 
SWCC інвестувала значні кошти у свій інженерний та дослідницький 
досвід, щоб розширити інноваційні проекти та постачати високоефективні, 
низькоенергетичні та більш гнучкі опріснювальні установки. Останніми 
зусиллями компанія отримала експлуатаційні екологічні ліцензії 3-ї категорії та 
сертифікат ISO 14001 для навколишнього середовища. 
Вони реалізували декілька проектів та ініціатив, щоб продемонструвати 
свою відданість мінімізації впливу на навколишнє середовище, одночасно 
знижуючи витрати на виробництво та транспортування опрісненої води. 
SWCC значно скоротила викиди вуглекислого газу від своїх виробничих 
систем на 22% від загального цільового скорочення для Королівства до 2030 
року. 
 
SWCC збільшив виробництво опрісненої води на 64% протягом останніх 
трьох років після створення, запуску та розширення кількості виробничих 
систем на узбережжі Червоного моря та Перської затоки, одночасно 
застосовуючи найвищі міжнародні стандарти у своїй діяльності відповідно до 
бачення Королівства. цілі 2030 року. 
SWCC також зареєструвала унікальну передову технічну систему, яка 
підвищує концентрацію розсолу з 70 тис. до 150-200 тис. частин на мільйон. Ця 
технологія, яка отримала два патенти, допомагає зберегти навколишнє 
середовище, оскільки бром інвестується у виробництво акумуляторів. 
SWCC має загалом 32 опріснювальні установки в 17 місцях, якими 
керують 10 340 співробітників. Безпека води є ключовим викликом для країни, 
яка інвестувала значні кошти в опріснення морської води, що робить 
Королівство найбільшим у світі виробником опрісненої води. 
 
3.2 Водний план Ізраїлю на 2050 й рік. Уроки для України. 
Одна з наймаловодніших країн світу Ізраїль за останні три десятиліття 
стала ключовим світовим експертом у галузі управління водними ресурсами. 
23 вересня 2019 року у Києві виступав Георгій Бернштейн, керівник 
департаменту ліцензування та контролю водних споруд Управління водними 
ресурсами (Israel Water Authority). 
Він розповів про те, як країна, яка забезпечена природними водними 
ресурсами лише на 50% від обсягу своїх потреб, не тільки не відчуває нестачі 
води, а й активно розвиває сільське господарство. І як треба керувати водою, 
щоб вона не стала проблемою у 2050-му. 
1. Інтегрована модель управління всіма водними ресурсами 
Ізраїль - це гарний приклад того, що інновації народжуються не від 
надлишку ресурсів, а від їх нестачі. Життя в обмежених природних умовах 
змусило ізраїльтян дуже високо цінувати воду та інвестувати в систему 
управління цим ресурсом. 
Водою керує тільки одна інституція - Управління водними ресурсами, яка 
відповідає за здоровий стан усіх водних ресурсів - від найбільшого озера до 
підземних джерел і приватних компаній з опріснення морської води і подачі у 
мережу. 
В Управлінні водними ресурсами, яке перебуває в підпорядкуванні 
Міністерства енергетики та інфраструктури, працює понад 200 осіб. (Для 
порівняння у Міністерстві розвитку громад і територій водними питаннями 
займаються лише три спеціалісти). 
Ізраїльські фахівці працюють над тим, щоб збалансувати потреби 8 
мільйонів людей, 14 тисяч фермерських господарств (понад 200 тисяч 
зрошуваних угідь) і понад 1 000 промислових підприємств, так щоб система 
водопостачання працювала на всіх цих споживачів і залишалася при цьому 
фінансово здоровою. 
Ще одним важливим блоком завдань водного агентства є збереження 
джерел води, жорсткий контроль за якістю води та стоків, планування 
збільшення споживання, пошук природних і технологічних рішень, які 
покращують стан. 
Половину водних потреб Ізраїль задовольняє завдяки технології 
опріснення морської води. 
Заводи з опріснення працюють по всій території Ізраїлю і це приватні 
інвестиції. 
Вода - недержавна монополія. Приватні заводи опріснюють морську воду і 
продають її державі. Опріснення морської води в Ізраїлі коштує дешевше, ніж 
водопідготовка води з річки в Україні. І все це завдяки розвитку технологій. 
В Управлінні водними ресурсами Ізраїлю є Наглядова рада. Вона 
складається з представників Міністерства фінансів, Міністерства охорони 
навколишнього середовища, Міністерства внутрішніх справ, Міністерства 
інфраструктури, енергетики та водопостачання, Міністерства сільського 
господарства і представників громадськості. 
Вода в Ізраїлі - це питання національної безпеки. 
Централізований орган управління розглядає всі водні джерела і всіх 
споживачів як єдину екосистему. 
І завдання системи управління - забезпечити водою не тільки поточні 
потреби, а й подбати про майбутні покоління. Тому особливу увагу приділено 
розвитку і збереженню підземних і наземних джерел. 
2. Вода сама на себе заробляє 
Ізраїльське суспільство не розраховує на воду як на соціальне благо, а 
готове за неї платити. Тарифи в Ізраїлі – одні з найвищих в світі – налічують до 
3 доларів за кубометр. Але жодному політику не спаде на думку обіцяти 
зниження тарифів у своїй передвиборчій агітації. 
Зниження тарифів - це зниження якості води та системи довгострокового 
забезпечення водою. 
Держава Ізраїль не інвестує гроші у розвиток водної інфраструктури. Це 
відбувається за рахунок тарифу. У тарифі на воду закладено понад 40% 
інвестиційної складової. Тобто з 3 доларів за куб води, майже 1,5 долара – це 
інвестиція в розвиток і оновлення інфраструктури. В Україні в тарифі 
інвестиційна складова в кращому випадку досягає 5% і дуже залежить від 
вартості електроенергії та рішень НКРЕ КП. 
Цікавим є факт, що більше 60% води Ізраїлю споживає сільське 
господарство. Проте, ніяких тарифних привілеїв не існує. Радше можна сказати, 
що населення датує сільгоспвиробників. Можливо, тому, що сільське 
господарство використовує повторно перероблені стічні води. 
У цьому напрямку Ізраїль досяг неймовірного прогресу: 87% очищених 
стічних вод використовуються у сільському господарстві. 
До речі, Ізраїль активно вкладає у створення R & D центрів і фінансує 
тематичні розробки, що стосуються водного господарства. Зараз, наприклад, 
активно розвивається технологія видобутку води з повітря. 
3. Ізраїльські міста - акціонери водоканалів 
Не менш цікавою є система управління водоканалами Ізраїлю. Тут їх 
називають водними підприємствами. Водоканали виведені з операційного 
управління мерів та адміністрацій. 
Рішення про розвиток ізраїльських водних підприємств ухвалюються не 
політично мотивованими людьми, а спеціалістами на професійній основі. 
Існують єдині стандарти, правила і методики управління водними 
підприємствами. 
Громада міста є акціонером водоканалу і отримує прибуток. Мер може 
призначити і звільнити директора водоканалу, але не може впливати на 
операційне управління. 
На водних підприємствах Ізраїлю багато процесів автоматизовані, 
налагоджений облік води та мінімізований витік. Проблеми з 
неконтрольованими врізками, актуальної для України, в Ізраїлі просто не існує.  
На ізраїльських водних підприємствах прогнози зі споживання прораховані на 
роки вперед і відповідно розроблені плани дій. 
 
Висновки. 
1. Ізраїльський досвід доводить, що виведення водоканалу з-під політичного 
впливу і впровадження професійного управління — це єдиний шлях виходу 
українських водоканалів з кризи. Кожен український мер вважає своїм 
ключовим завданням призначити свого директора водоканалу. Часто ці люди 
далекі від розуміння, що таке водоканал і як побудувати його ефективну 
роботу. І дуже часто це погіршує ситуацію на цих підприємствах. 
2. В Україні необхідно налагодити професійне управління водою. Попри 
існування міфу, що наша країна багата водними ресурсами, Україна належить 
до "маловодних" країн Європи. У порівнянні зі Швецією ми маємо у 20 разів 
менше водних ресурсів, а процес управління цим ресурсом перебуває на дуже 
низькому рівні. 
3. Вода для Ізраїлю — це ключовий фактор безпеки. Для України ж вода може 
стати ключовим фактором розвитку, адже цей ресурс впливає на сільське 
господарство, промисловість, якість послуги та соціальну складову. Ну і 
звичайно, на здоров'я населення. За дешеву воду ми платимо своїм здоров'ям.  
Нам необхідний тотальний контроль джерел забруднення води з боку 
промислових підприємств і громадський контроль за роботою водоканалів.  
 
 
3.3 Інноваційна установка зворотного осмосу встановлена на 
нафтовому родовищі Лівії. 
Установка зворотного осмосу потужністю 600 м3/добу, надана Zulal Water 
Technology, була введена в експлуатацію на родовищі Waha Oil Company в 
Гіало в Тріполі, Лівія. 
Завод Gialo є частиною ширшого проекту EPC, наданого Zulal у 2013 році 
для заміни існуючих заводів WOC GE-Ionics на родовищах Gialo, Waha Waha та 
Es-Sider. Zulal працював на всіх трьох об’єктах одночасно, намагаючись 
виконати проект у найкоротші терміни, і планує ввести в експлуатацію решту 
двох заводів у першому кварталі 2014 року. Так само, об’єкт було завершено 
лише за дев’ять місяців «під ключ». основи. 
Об'єм робіт включав будівельні роботи; будівництво водного заводу; 
електротехніка; проектування, монтаж та введення в експлуатацію заводу РО; 
в’язки; та забезпечення резервним обладнанням. Завод RO було виготовлено в 
Нідерландах за найвищими стандартами з використанням новітніх технологій 
та компонентів, а інженери WOC пройшли широке навчання як в Амстердамі, 
так і на місці. Крім того, завод виробляє воду відмінної якості і повинен 
забезпечити людей на родовищі Джало надійним постачанням на довгі роки. 
Про технологію Zulal Water Technology 
Zulal Water Technology є зареєстрованою в Лівії компанією зі штаб-
квартирою в Тріполі, яка в першу чергу зосереджується на лівійських рішеннях 
з водопостачання та водовідведення під ключ. Компанія бере участь у 
ефективному командному процесі зі своїми клієнтами, щоб врахувати їхні 
вимоги та технічні потреби під час роботи над проектом з урахуванням 
лівійських умов. Він пропонує повний пакет «під ключ», який включає 
проектування, планування монтажу та введення в експлуатацію, а також повну 
експлуатацію та технічне обслуговування всіх наших заводів. 
 
3.4 Зворотний осмос високого відновлення для очищення відпрацьованої 
води. 
Природний газ – особливо коли його видобувають із нетрадиційних 
ресурсів, таких як вугільні пласти, щільні піски та сланцеві утворення…  
Автори: Боб Кімбол та Кен Клінко 
Природний газ, особливо якщо він видобувається з нетрадиційних 
ресурсів, таких як вугільні пласти, щільні піски та сланцеві утворення, є одним 
із найбільш швидкозростаючих джерел енергії в Сполучених Штатах та у 
всьому світі. Основним фактором при розробці цього ресурсу є управління 
водою, що виробляється разом із газом. Хоча обсяг і якість води, що 
видобувається на газових родовищах, значно відрізняються між басейнами, 
загальною характеристикою майже всіх джерел видобутої води є наявність 
загальних розчинених солей (TDS) у концентраціях, які зазвичай значно 
перевищують стандарт вторинної питної води в 500 міліграмів. на літр (мг/л). 
Утилізація виробленої води вимагає ряду підходів до управління та 
очищення і залежить від кількох конкретних факторів, включаючи якість води, 
потік, договори оренди землі, економіку, варіанти скидання та ряд інших 
впливів. Зараз промисловість використовує декілька різних інструментів 
управління водними ресурсами, таких як прямий скид, кероване зрошення, 
зберігання та інфільтрація, а також закачування глибоких свердловин. У деяких 
випадках цих варіантів недостатньо, і єдиним можливим варіантом є пряме 
лікування «кінця труби». 
У міру розвитку ресурсів у нафтогазовій промисловості збільшується тиск 
регуляторів та громадськості щодо застосування прямого очищення на 
родовищі. На жаль, усі технології кінцевих труб, які зараз використовуються в 
нафтогазовій промисловості, обмежені низкою технічних проблем і значно 
вищою вартістю в порівнянні з традиційними альтернативами без обробки. Для 
технологій видалення TDS велика частина витрат припадає на утилізацію 
розсолу. Фактично, в деяких випадках було показано, що на утилізацію розсолу 
припадає майже 50% вартості систем очищення виробленої води. Тому 
зменшення об’єму розсолу, що потребує утилізації, є ключовою метою 
більшості систем очищення води. 
Щоб допомогти вирішити ці проблеми, CDM розробив та випробував 
інноваційне рішення для очищення води для видалення розчинених солей, яке 
максимізує відновлення очищеної води для скидання або корисного повторного 
використання, одночасно мінімізуючи споживання хімічних речовин та обсяг 
відходів, які потребують утилізації. Технологія була спочатку розроблена для 
обробки джерел метану вугільних пластів у басейні річки Паудер у Вайомінгу 
та Монтані. Однак, модифікувавши систему попередньої обробки, технологія 
має набагато ширше застосування для очищення родових вод в інших діючих 
басейнах у США, Канаді та в усьому світі. 
Опис процесу 
Запатентований процес, розроблений CDM, використовує комбінацію 
технологій очищення, включаючи передову фільтрацію, іонообмін, зворотний 
осмос і випаровування, організованих в оптимізованій послідовності, що 
максимізує загальне відновлення води з мінімальним додаванням хімічних 
речовин. Такий підхід усуває обмеження якості води, які викликають 
забруднення мембрани, так що система RO обмежується лише осмотичним 
тиском. Процес обробки складається з наступних комерційно доступних 
технологій попередньої обробки в наступному порядку: 
Фільтрація для видалення зважених твердих речовин, у тому числі 
субмікронних частинок (діапазон від 1 до 3 мікрон) 
Ефективне видалення твердості та металів за допомогою слабокислої 
катіонної смоли 
УФ-дезінфекція для мінімізації ймовірності біологічного обростання 
Зворотний осмос із високим рівнем відновлення при максимальному 
робочому тиску (наразі обмежений 1200 фунтів на квадратний дюйм) 
Випарювання концентрату розсолу на місці, якщо необхідно 
Цей підхід попередньої обробки ефективно видаляє всі компоненти, які 
можуть спричинити забруднення мембрани. Єдиною складовою, що заважає 
працювати з системою RO при максимальному вилученні, є кремнезем. 
Донедавна можливості управління кремнеземом обмежувалися наступним: 
 
Високий рН осад з магнієм при підвищеному рН. Це дорого обходиться 
через високу потребу в реагентах та об’єм утвореного шламу. 
Іонний обмін з використанням аніонної смоли. Незважаючи на те, що це 
можливо, це занадто висока вартість для застосування виробничої води. 
Збільште pH вище 10,5 там, де кремнезем є більш розчинним. Це вимагає 
значних і дорогих хімічних добавок для підвищення pH, особливо для води з 
високим вмістом буферу, що містить бікарбонат. 
Інша альтернатива, яка є основою запатентованого підходу CDM, полягає в 
тому, щоб утримувати діоксид кремнію в розчині в перенасиченому або 
метастабільному стані достатньо довго, щоб вода покинула систему RO. 
Процес обробки RO з високим рівнем відновлення включає необхідні 
етапи попередньої обробки, щоб забезпечити перенасичення кремнеземом без 
видалення лужності або безперервного додавання хімічних речовин для 
регулювання pH. 
Пілотно-масштабне тестування 
Щоб продемонструвати ефективність процесу лікування, CDM провів 
повномасштабне пілотне випробування безперервного потоку. Основними 
цілями пілотного випробування були перевірка необхідних етапів обробки для 
максимізації загального відновлення води, оцінка потенціалу забруднення 
мембрани та розробка необхідної інформації для повномасштабного 
проектування. 
Дослідна система очищення працювала з використанням живильної води, 
що подається з трубопроводу оператора. Безперервна швидкість подачі в 
систему очищення становила 3500 барелів води на добу (BWPD) або 100 
галлонов на хвилину. Кінцевий потік концентрату розсолу коливався від 65 до 
100 BWPD (2-3 галлонов на хвилину). 
Етапи лікування включали: 
Зберігання живильної води в баку на 5000 галонів. 
Фільтрування живильної води через картриджний фільтр. Були 
протестовані фільтри різних розмірів. 
Видалення полівалентних катіонів у слабокислому катіонообмінному 
пом’якшувачі. 
Дезінфекція води за допомогою ультрафіолетового світла. 
Обробка попередньо очищеної води в багатоступінчастій системі RO, що 
містить комбінацію мембран солонуватої та морської води. 
Кінцевий концентрат збирали в резервуар і знову закачували в трубопровід 
виробленої води. 
Нижче наведено основні висновки пілотного випробування: 
Пілот успішно обробив понад 500 000 галонів корму з 98% відновлення на 
періодичній основі та понад 3,5 мільйона галонів води із середнім відновленням 
97%. 
У стаціонарних умовах забруднення мембрани було мінімальним. 
Якість продукту мала TDS менше 500 мг/л, що легко відповідатиме ліміту 
стоків для скидання Національної системи ліквідації викидів забруднюючих 
речовин. 
Виявлено, що фільтрація є ключовим етапом попередньої обробки через 
дуже дрібні частинки, присутні в живильній воді. 
Слабокислотний катіонітний іонообмінник працював краще, ніж 
очікувалося: одна ємність обробляла понад 4 мільйони галонів без заміни або 
регенерації та витоку твердості нижче цільового значення 5,0 мг/л у вигляді 
CaCO3. 
Силікагель в кінцевому концентраті розсолу був перенасиченим, у межах 
від 200 до 280 мг/л. 
Резюме 
Підсумовуючи, процес очищення RO CDM з високим вилученням — це 
випробувана в польових умовах та перевірена система очищення, яка 
адаптована та економічно ефективна для очищення широкого спектру вод, що 
видобуваються на газових родовищах. Процес RO вимагає дуже невеликого 
хімічного додавання і виробляє мінімальний потік розсолу, який вимагає 
утилізації за межами майданчика. Повномасштабна система була розроблена та 
будується для обробки 35 000 BWPD (1 000 галлонов за хвилину) води, 
виробленої з метану вугільних пластів, у басейні річки Паудер. Запуск 
очікується навесні 2011 року. 
Про авторів: Боб Кімбол, П.Е., є інженером-хіміком з майже 22-річним 
досвідом роботи в промисловості, який має понад 13 років у розробці, 
тестуванні та проектуванні повномасштабних систем очищення виробничої 
води в нафтогазовій промисловості. Він є партнером у групі промислових 
послуг CDM, глобальної консалтингової, інженерної, будівельної та 
експлуатаційної фірми, яка пропонує повний спектр послуг у сфері 
водопостачання, навколишнього середовища, транспорту, енергії та 
обладнання. Ken Klinko, P.E., має більш ніж 38-річний промисловий досвід, 
включаючи понад 28 років очищення води за допомогою процесів зворотного 
осмосу, ультрафільтрації та мікрофільтрації. Він є віце-президентом 
корпоративного офісу з розробки проектів CDM. 
 
3.5 Мембранні інновації RO забезпечують найвищий у світі рівень 
продуктивності виробництва води. 
Токіо, Японія, 18 грудня 2019 р. – Компанія Toray Industries, Inc., 
оголосила сьогодні, що вона створила мембрану зворотного осмосу для 
опріснення морської води (RO), яка дає змогу виробляти на 70% більше чистої 
питної води, ніж звичайні пропозиції. Таким чином, це найбільш 
енергоефективна в світі мембрана RO з морської води. RO – це технологія 
виробництва води з використанням напівпроникної мембрани. Застосовуючи 
тиск вище осмотичного тиску живильної води, мембрани RO можуть 
виключати іони натрію, кальцію та інших металів, хлориди, сульфат та інші 
аніони, а також такі низькомолекулярні органічні сполуки, як агрохімікати. 
Вдосконалена мембрана Toray забезпечує користувачам більш високу 
пропускну здатність виробництва води, не споживаючи більше енергії, 
знижуючи витрати на процес. Toray виставляє цю мембрану на ринок за три 
роки, розширюючи техніку RO на опріснювальних установках. Компанія Toray 
оголосила про цю нову мембранну технологію на Всесвітньому конгресі 
Міжнародної асоціації з опріснення в Дубаї у жовтні 2019 року. Забезпечення 
чистою водою та санітарією для всіх людей є однією з цілей сталого розвитку 
Організації Об’єднаних Націй. 
Це серйозний виклик у світі, який стикається з дедалі більшою нестачею 
води та забрудненням води. Технологічні досягнення з очищення води на 
основі мембрани RO знизили витрати на виробництво води. Впровадження цієї 
технології для вирішення проблем з водою просунулося по всьому світу, 
особливо серед опріснювальних установок на Близькому Сході. Світ стоїть на 
порозі розгортання величезних заводів із щоденним виробництвом від багатьох 
тисяч до мільйонів метричних тонн води. Зростають надії на технології, які 
можуть забезпечити чудову якість води та швидкість виробництва, обмежуючи 
споживання енергії. 
Проблема зі звичайними мембранами RO, однак, полягає в тому, що вони 
становлять компроміс, оскільки якість води знижується у міру зростання 
виробництва води, що викликає необхідність розробки нової технології. На 
сьогоднішній день компанія використовувала першокласні можливості аналізу 
наноматеріалів Toray Research Center як частину своєї програми досліджень і 
розвитку технологій для проведення ультратонкого структурного аналізу RO 
мембран з нанометровими (мільярдною частиною метра) розділовими 
функціональними шарами. 
Відповідно, компанія визначила зв’язок між структурами виступів і 
швидкістю виробництва води, а також між пористими структурами та якістю 
води. Ці зусилля завершилися розробкою Торей нової високоточної технології 
міжфазної полімеризації для формування розділювального функціонального 
шару, одночасно контролюючи площу поверхні та товщину структури виступу 
та діаметр пор. Це дозволило вибірково та ефективно виробляти чисту воду з 
морської води, таким чином зберігаючи якість, одночасно збільшуючи 
виробництво води. 
Наша нова мембранна технологія має на меті рішення для відновлення 
довкілля та вирішення дефіциту води, дозволяючи кожному мати доступ до 
чистої води. Toray переслідує це бачення, використовуючи свої дослідження та 
технологічні розробки інноваційних технологій та передових матеріалів.  
3.6  RO забезпечує багатообіцяючу перемогу в битві проти дефіциту води 
Після десятиліть досліджень, розробок та інновацій зворотний осмос (RO) 
став важливим і доступним інструментом, який допомагає забезпечити доступ 
до питної води у всьому світі. 
Однією з найбільших загроз, з якими стикається людство, є дефіцит води. 
А коли справа доходить до захисту безпеки нашого найціннішого природного 
ресурсу, лише небагато рішень є такими перспективними, як рекультивація 
стічних вод, процес, який мінімізує нашу залежність від прісної води. Завдяки 
доведеним результатам, прискореному прийняттю та покращеному сприйняттю 
населення все більше громад почали розглядати можливість очищення міських 
стічних вод для повторного використання, щоб допомогти підтримувати 
належний рівень чистої води. 
Тенденція до дефіциту води не демонструє ознак уповільнення у міру 
зростання чисельності населення, що створює зростаючий тиск на прісноводні 
водоносні горизонти у вигляді виробництва продуктів харчування, 
промислового розвитку та розширення міст. Ситуація настільки ж жахлива, як 
це звучить, але є проблиски надії в боротьбі за забезпечення сталого водного 
майбутнього. Після десятиліть досліджень, розробок та інновацій зворотний 
осмос (RO) став важливим і доступним інструментом, який допомагає 
забезпечити доступ до питної води у всьому світі. 
У порівнянні з термічними системами, сучасні мембрани RO є значно 
ефективнішими та рентабельнішими у видаленні домішок. Мембрани також 
здатні видаляти органічні забруднення, що допомагає зменшити залежність від 
хлорування. Дозволяючи повторне використання стічних вод, муніципалітети 
мають надійний і безпечний варіант, щоб допомогти зменшити дефіцит води та 
забезпечити чисту питну воду місцевих жителів. 
Наче скорочення запасів води недостатньо погане, наші прісноводні 
водоносні горизонти стикаються з другорядною загрозою у вигляді 
проникнення морської води. Це призвело до збільшення солоності 
прибережних водоносних горизонтів з часом. Це лише посилює проблему 
дефіциту води і робить все більш актуальним широкомасштабне використання 
повторного використання стічних вод. 
Стан обізнаності про воду 
У Каліфорнії дефіцит води прискорюється через населення, яке 
збільшується, і щороку на західне узбережжя стікається незліченна кількість 
нових мешканців. Це майже постійний приплив, який неухильно виснажує 
природні ресурси регіону, а також циклічні умови посухи та більш 
екстремальні погодні умови в результаті зміни клімату. Насправді, дехто може 
сказати, що жити в Каліфорнії означає жити в стані постійного усвідомлення 
води. Велика частина води в стані використовується один раз, а потім просто 
відпускається, не відновлюючи навіть половини. Це створює постійну напругу 
між жителями Каліфорнії та доступною водою штату — її просто не вистачає, 
щоб ходити навколо. 
Однак на водній картині Каліфорнії є принаймні одна яскрава пляма. 
Округ Ориндж є яскравим прикладом громади, яка використовує повторне 
використання стічних вод як креативне рішення для збереження запасів 
підземних вод і захисту водоносних горизонтів від проникнення морської води. 
Система поповнення підземних вод округу Ориндж (OCWD) (GWRS) 
спирається на технологію RO мембрани для поповнення природних бар’єрів 
прісної води для вторгнення солоної води та забезпечення вкрай необхідного 
поповнення водоносного горизонту вторинно очищеними стоками з місцевих 
муніципалітетів. 
Дефіцит води відповідає своєму 
OCWD вже давно є інноваційним лідером у відновленні муніципальних 
вторинно очищених стоків для створення багаторазової питної води. 
Невід’ємним компонентом процесу організації є GWRS, передова установка 
для очищення води об’ємом 100 мільйонів галонів на добу (MGD), яка 
використовує RO як робочу конячку свого багатобар’єрного процесу очищення 
води. 
Щоб створити питну воду, на установці спочатку використовується 
попередня мікрофільтрація для видалення мікроорганізмів і великих зважених 
частинок. Потім вода проходить через передову систему очищення RO, 
видаляючи розчинені хімічні речовини, віруси та фармацевтичні препарати. 
Нарешті, розширене окислення (обробка ультрафіолетом і перекисом водню) 
дезінфікує воду. Більшість очищеної води потім спрямовується до басейнів для 
поповнення підземних водоносних горизонтів, а решта закачується під землю 
біля узбережжя, щоб захистити водоносний горизонт від проникнення морської 
води, і забезпечити округ постійним постачанням високоочищеної питної води, 
яка відповідає або перевищує всі штати. і федеральні стандарти. 
В останні роки OCWD визнала, що округ Ориндж більше не може 
залежати від імпортованих джерел води, які є дорогими та енергоємними. 
Команда почала розширювати GWRS, і, працюючи з DuPont Water Solutions, 
вони знайшли спосіб оптимізації рекультивації стічних вод. 
Співпраця між DuPont та OCWD привела до довгострокової стратегії 
подальшого підвищення ефективності та продуктивності очищення стічних вод 
округу Ориндж із використанням передових мембранних технологій RO з 
більш високою проникністю та стійкістю до забруднення. OCWD вибрала 
елементи зворотного осмосу FilmTec™ для розширення системи зворотного 
осмосу. 
Подвійний успіх 
У таких установах, як GWRS, система RO може бути енергоємним 
процесом. Прийняття сучасних мембран, як це видно з розширенням OCWD на 
30 MGD на початку 2015 року, знизило енергію, необхідну для обробки тієї ж 
кількості води, на 13 відсотків у порівнянні з існуючими характеристиками 
існуючих мембран, які використовувалися на початковому об’єкті. Зменшення 
енергії, необхідної для очищення стічних вод, не тільки призвело до зниження 
експлуатаційних витрат, але й зменшило вуглецевий слід заводу. 
Сьогодні, при повній роботі, установка OCWD очищає понад 100 
мільйонів галонів очищених стічних вод на день, щоб забезпечити чисту 
високоякісну питну воду для північного та центрального округу Ориндж. 
Завдяки тісній співпраці групи досліджень і розробок DuPont і OCWD 
сподіваються створити більше подібних технологій, які можна буде впровадити 
в усьому світі, зробивши повторне використання стічних вод ще більш 
доступною реальністю для громад, які страждають від водних ресурсів. 
Історія походження 
Інновації в продуктах продовжують покращувати ефективність та 
економічну життєздатність повторного використання стічних вод для 
вирішення безлічі водних проблем у державному секторі, мінімізуючи при 
цьому шкоду для навколишнього середовища. Процес очищення продовжує 
ставати більш енергоефективним і економічно ефективним завдяки 
вдосконаленню хімії мембран, дизайну модулів і систем, а також 
високоефективним насосам і пристроям рекуперації енергії. DuPont внесла 
значний внесок у зниження загальних витрат на RO, орієнтуючись на 
підвищення продуктивності та знижуючи загальну енергоємність своїх 
мембран. Більше десяти років тому модуль RO морської води міг виробляти 
4800 галонів води на день. Сьогодні одиниця того ж розміру може виробляти в 
чотири рази більше обсягу. Південна Каліфорнія отримала велику користь від 
цих досягнень, даючи надію іншим громадам по всьому світу, які стикаються з 
власними ресурсами, що зменшуються. 
Доленосні наступні кроки 
Історія успіху в окрузі Ориндж, безсумнівно, є величезною перемогою в 
боротьбі з дефіцитом води, але попереду ще багато роботи. Завдяки пробним 
випробуванням DuPont продовжує покращувати характеристики мембрани з 
більш високою стійкою проникністю, пропонуючи високоякісну воду за 
нижчою ціною. Ці випробування мають серйозні глобальні наслідки, оскільки 
одного дня муніципалітети можуть використовувати ці технології, щоб 
забезпечити надійне місцеве джерело води, зменшити залежність від 
імпортованої води та поповнити басейни підземних вод. 
Більше регіонів потрібно буде застосувати підхід до повторного 
використання, подібний до Ориндж Каунті, щоб впоратися з дефіцитом води. 
Щоб досягти сталого водного майбутнього, глобальні інновації як у 
технологіях, так і в партнерстві та стратегії повинні будуть розвиватися швидко 
та в тандемі. Нові моделі співпраці між комунальними підприємствами та 
приватним сектором також відіграватимуть вирішальну роль в успіху цієї 
парадигми. 
 
 
Рисунок 3.1. Маломасштабний пристрій зворотного осмосу (RO) (точки 
вимірювання: F = витрата; C = провідність; P = тиск; Q = відбір проб; T = 
температура; V = об'єм). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 ПРОЕКТУВАННЯ ТА РОЗРОБКА СИСТЕМ МОНІТОРИНГУ СТАНУ 
ЗАВОДУ ЗВОРОТНОГО ОСМОСУ (RO) ДЛЯ РАННЬОГО 
ПРОГНОЗУВАННЯ НЕСПРАВНОСТЕЙ І ПРОГНОЗНОГО ТЕХНІЧНОГО 
ОБСЛУГОВУВАННЯ 
Анотація 
Автоматизація та надійність є ключовими елементами будь-якої установки 
зворотного осмосу, яка відповідає екологічним та економічним вимогам. Рання 
індикація несправностей, діагностика та регулярне технічне обслуговування є 
ключовими проблемами для більшості установок зворотного осмосу в 
індійському сценарії. У цій роботі представлено сучасний блок моніторингу 
стану установки зворотного осмосу (RO) для моніторингу різних параметрів 
установки в режимі реального часу та раннього прогнозування несправностей і 
технічного обслуговування. Розроблений блок моніторингу стану заводу RO 
складається з вбудованого блоку моніторингу на основі сенсорного екрану, 
датчиків якості води (pH, TDS), камери для відбору проб для контрольованого 
потоку води, датчиків потоку, датчиків тиску та рівня. Ця система була 
розроблена модульно, щоб її можна було інтегрувати з будь-якою потужністю 
установок RO. Розроблена вбудована система контролює різні параметри 
установки, такі як вхідна потужність, ефективність установки, рівень вхідного 
та вихідного водяного бака, а також надає оператору інструкції щодо 
експлуатації установки. Крім цього, розроблено спеціальний інтерфейс 
програми для смартфона, щоб оператор отримував дані з блоку моніторингу 
стану, зберігання на смартфоні та пересилав їх у хмару. Розроблений додаток 
на основі смартфона також надає можливість інтегрувати дані заводу з картою 
Google з інформацією про місцезнаходження для легкого розуміння та 
швидкого виконання. Система також має резервне копіювання для передачі 
даних на сервер за допомогою модуля 2G GSM під час недоступності 
оператора. Розроблено спеціалізований централізований веб-сервер для 
візуалізації в режимі реального часу всіх встановлених блоків моніторингу 
стану заводу. На отриманих даних датчиків реалізовано різні методи 
машинного навчання, щоб передбачити ранні попередження, пов’язані з 
відключенням електроенергії, забрудненням і накипом на мембрані, нестачею 
вхідної води, витоком в трубі, резервуаром, пошкодженням датчиків якості 
води, непрацездатністю або неправильною роботою установки, а також різні 
заходи обслуговування, такі як мембранна вода та хімічне промивання. 
Розроблений блок моніторингу статусу RO був протестований на різних 
установках RO з продуктивністю від 500 л/год до 2000 л/год і розгорнутий у 
різних прилеглих селах Раджастана. 
Вступ 
Зростання попиту на свіжу питну воду призводить до потреби в різних 
передових автоматичних рішеннях для обробки води. Різні дослідники в 
минулому досліджували різні рішення для обробки води, такі як зворотний 
осмос (RO), мікрофільтрація (MF), ультрафільтрація (UF), нанофільтрація (NF), 
але RO є одним з провідних рішень для обробки води. завдяки вищій здатності 
очищення води, енергоефективності, а також здатності видалити майже всі 
токсичні метали та бактерії з вхідної води. Продуктивність RO мембрани є 
досить чутливою і сильно залежить від якості сировини та загальних умов. 
Таким чином, установка RO потребує високоточної системи контролю та 
моніторингу для контролю живильної води та інших параметрів установки, щоб 
підтримувати її роботу близько до оптимальних умов. Регулярне технічне 
обслуговування мембрани та моніторинг живильної води та параметрів 
установки підвищують продуктивність заводу RO, а також зменшують  
ймовірність раннього забруднення мембрани, що подовжує термін служби 
мембрани RO та установки в цілому (Sobana and Rames 2011). Було досліджено 
кілька методів контролю, таких як PID (Esfahani et al. 2016), fuzzy (Zilouchian 
and Jafar 2001), ANN (Lee et al. 2009), оптимальний контроль (Gambier et al. 
2006), прогнозний контроль (Abbas 2006). для контролю різних параметрів 
установки RO та підтримки заводу в оптимальних умовах. Схему 
централізованих PI-контролерів для взаємодії з багатофакторними процесами 
також випробовували різні дослідники для контролю параметрів RO заводу за 
допомогою методу синтезу (Kumar et al. 2012). Вибір різних методів для 
налаштування параметрів контролера є одним із важливих і складних кроків, і 
його потрібно вибирати на основі конкретного застосування. Одним із відомих 
прийомів налаштування параметрів контролера є використання компенсаторів. 
Recycle compensator є одним із відомих методів налаштування параметрів 
контролера (Armbrust and Sbarbaro 2010). Мінімізація енергоспоживання 
заводів на ОО за допомогою оптимального контролю (Bartman et al. 2010) разом 
із альтернативними джерелами енергії (Chaabene and Sellami 2013) для 
установок RO також була введена різними дослідниками. В індійському 
сценарії інтелектуальний моніторинг разом із прогнозуванням подій для 
установок RO є однією з найважливіших потреб для збільшення терміну 
служби мембрани RO, а також для уникнення різних проблем, таких як 
коливання підвищеної/низької напруги, сухий хід високого тиску та 
підвищувальних насосів, введення витік водопроводу, порожній вхідний бак 
для води, переповнення вихідного водяного бака. Різні інструменти контролю 
моніторингу разом із ефективною стратегією контролю були запроваджені для 
моніторингу та контролю RO установок у режимі реального часу, але більшість 
із них є дорогими та громіздкими та передбачають лише обмежені параметри, 
такі як якість води та швидкість потоку (Torky et al. 2009). . Невелика частина 
зусиль також була помічена в напрямку моніторингу забруднення мембрани в 
режимі реального часу та раннього прогнозування з використанням різних 
аналітичних методів (Hwang et al. 2010). Декілька зусиль було допущено в 
напрямку моніторингу та контролю параметрів заводу RO, але все ж існують 
різні проблеми, такі як раннє прогнозування несправностей різних подій, таких 
як коливання перенапруги та низької напруги, забруднення мембрани, 
утворення накипу на мембрані, ефективність установки, датчики якості води. 
пошкодження, які необхідно усунути. Крім раннього прогнозування 
несправностей, інструмент для прогнозного технічного обслуговування 
мембрани, датчиків, фільтрів для операторів індійських установок з очисним 
випромінюванням є однією з важливих потреб, які необхідно вирішити, щоб 
збільшити термін служби всієї установки, а також підтримувати оптимальні 
умови експлуатації. 
У цій роботі представлено вбудований блок моніторингу стану заводу RO 
для моніторингу різних параметрів установки, таких як якість води (pH, TDS), 
швидкість вхідного та вихідного потоку, рівень вхідного та вихідного 
резервуарів, коливання низької та перенапруги, а також засіб для 
прогнозування різних Технічні дії, такі як промивання мембранної водою, 
хімічне промивання мембрани, калібрування та очищення датчиків, 
експлуатація установки RO. Крім цього, також розроблено інтерфейс програми 
на основі смартфона для отримання даних із блоку моніторингу стану заводу з 
очищенням від ОС за допомогою класичного модуля Bluetooth і подальшої 
передачі їх у хмару Firebase Google (Taherkordi and Frank 2016). Альтернативна 
схема передачі даних також була реалізована з використанням модуля 2G GSM 
під час недоступності оператора RO заводу. Щоденні дані про параметри 
заводу RO також зберігаються в локальній пам’яті вбудованої системи і можуть 
бути зібрані за допомогою будь-якого USB-накопичувача. Решта рукопису 
організована таким чином. У розділі II наведено детальний опис 
запропонованої схеми моніторингу статусу заводу РО, а в розділі III наведено 
детальну інформацію про розроблену вбудовану систему для моніторингу стану 
заводу РО. Розділ IV містить детальний опис процедури розробки Android-
додатка на базі смартфона разом із його функціями та корисністю. У розділі V 
обговорюються алгоритми для прогнозування різних дій і подій технічного 
обслуговування. У розділі VI представлені результати тестування та польових 
випробувань розробленої системи, встановленої в різних прилеглих селах 
Раджастана, а в розділі VII обговорюються обговорення та висновки. 
 
Запропонована схема моніторингу стану заводу РО 
Загальна ідея полягає в тому, щоб контролювати критичні параметри 
заводів RO, встановлених у сусідніх селах Раджастана. Запропонована схема 
моніторингу (рис. 4.1) складається з різних рівнів, наприклад, на місцевому 
рівні, на рівні нагляду та на рівні координатора та, нарешті, на центральному 
рівні. Моніторинг на місцевому рівні різних установок РО може здійснюватися 
за допомогою розробленого вбудованого блоку моніторингу стану заводу РО і 
буде корисним для різних операторів заводів РО та жителів села. Центральний 
рівень моніторингу здійснювався за допомогою хмарних сервісів і може бути 
корисним для моніторингу та візуалізації даних у будь-якій частині світу. 
 
Рисунок 4.1- Впроваджена схема моніторингу статусу заводу RO для 
прогнозування несправностей і регулярного технічного обслуговування. 
 
Запропонована схема складається з моніторингу параметрів, зберігання 
даних та обчислювальних алгоритмів на різних рівнях і має менші шанси 
втрати інформації. Крім цього, запропонована схема також розділяє загальну 
інформацію, моделі та складність алгоритмів на різних рівнях. Інформація, 
зібрана на місцевому рівні за допомогою розробленого вбудованого блоку 
моніторингу стану заводу RO, передається на смартфон оператора за 
допомогою зв’язку Bluetooth. Далі зібрані дані з інформацією про розташування 
заводу передаються на рівень хмари для централізованого моніторингу за 
допомогою розробленого спеціального додатка для Android. Google firebase 
використовувався як хмарна платформа для початкового використання, а також 
для демонстрації підтвердження концепції. Модуль 2G GSM також 
використовується як резервний варіант для передачі даних від блоку 
моніторингу до веб-сервера. Деякі рівні, такі як рівень контролю та 
моніторингу координатора, також можуть бути введені, оскільки складність 
збільшується зі збільшенням кількості локальних вузлів моніторингу RO. 
 
Розробка і розробка вбудованої системи для моніторингу стану заводу з 
очисним випромінюванням 
Вбудована система (рис. 3b) була розроблена та розроблена для отримання 
даних у режимі реального часу від стандартних датчиків, підключених до 
заводу RO, для вимірювання різних параметрів заводу, таких як швидкість 
потоку живлення та продукту, вхідна потужність, рівень води, подача. і pH 
продукту, TDS. Спеціалізована апаратна платформа (рис. 2) була розроблена 
для зчитування та зберігання даних з різних датчиків, а також для керування 
різними приводами, що використовуються на заводі RO. Розроблена апаратна 
платформа була підключена до чотирьохядерного мікроконтролера на базі 
процесора ARMv8 для збору та обробки даних. Розроблена вбудована система 
на основі сенсорного екрану забезпечує зручний графічний інтерфейс 
користувача для оператора заводу з очисним випромінюванням для 
моніторингу даних заводу в режимі реального часу. Крім того, класичний 
модуль Bluetooth був інтегрований з розробленою вбудованою системою для 
зв’язку зі спеціальним інтерфейсом програми на основі смартфона для 
зберігання даних та подальшої передачі їх у хмару з інформацією про 
місцезнаходження. Розроблений блок моніторингу стану заводу RO для 
раннього прогнозування несправностей та прогнозного обслуговування є 
кроком до розробки передового, недорогого та простого у використанні 
модульного вбудованого для моніторингу стану заводу RO. Нижче наведена 
детальна інформація про розробку мікропрограмного та програмного 
забезпечення. 
Розробка прошивки 
Блок моніторингу стану заводу RO (рис. 3а) розроблено модульно (рис. 4) і 
складається з різних підмодулів, таких як вбудований блок збору даних, 
моніторингу та управління, а також комерційні датчики з передавачами струму 
4–20 мА для pH та Датчики TDS, встановлені в камері для відбору проб, для 
збору даних про якість корму та води в режимі реального часу, комерційний 
модуль безперебійного живлення (UPS) для резервного живлення. 
 
Рисунок 4.2- Функциональная схема разработанного встроенного блока 
мониторинга состояния ОО установки. 
 
 Розроблена портативна вбудована система діє як серце загального блоку 
моніторингу стану заводу з ОО. Вбудована система складається з трьох 
основних секцій, таких як спеціально розроблена апаратна платформа для 
взаємодії з датчиками та виконавчими механізмами, мікроконтролерний блок 
на основі процесора ARMv8 (Raspberry pi 3) для збору та обробки даних та 
джерело живлення в комутаційному режимі для регульованої потужності. 
Розроблена конструкція спеціального апаратного модуля, що складається з 
вбудованих схем, де модулі друкованої плати розроблені, виготовлені та 
підключені до мікроконтролерного блоку на основі процесора ARMv8. Ресурси, 
що використовуються для розробки спеціалізованих апаратних модулів: масив 
Дарлінгтона (ULN2003) для керування релейним масивом, зовнішній E2PROM 
(24LC1025) для зберігання даних на локальному рівні, розширювач портів 
(MCP23017) для створення додаткових цифрових вхідних вихідних контактів, 
 аналого-цифровий перетворювач. (ADS7828) для перетворення аналогової 
реакції датчиків у цифрову форму, буферний блок для ізоляції (74LS244), 
годинник реального часу (DS1307) для доступу до реального часу з даними, 
модуль Xbee pro для бездротової передачі даних та регулятори (LM7805, 
LM1117) різні рівні напруги (+ 5 В і + 3,3 В). Розроблена апаратна платформа 
була додатково сполучена з мікроконтролерним блоком на базі процесора 
ARMv8 (Raspberry pi 3) для збору, обробки та контролю даних. 7-дюймовий 
сенсорний дисплей разом із локальним контролером був інтегрований з 
розробленою вбудованою системою для відображення зручного графічного 
інтерфейсу користувача. 
 
 
Рисунок 4.3- a) Розгорнутий блок моніторингу стану заводу RO,        
б)розроблений вбудований блок обробки та управління 
 
 
 
 
Рисунок 4.4- Лінійна схема блоку моніторингу стану установки зворотного 
осмосу, інтегрованого з установкою зворотного осмосу. 
 
 
Класичний модуль Bluetooth був використаний для передачі даних з 
розробленої вбудованої системи в інтерфейс програми на основі смартфона і 
далі в хмару для подальшого аналізу. Крім цього, модуль 2G GSM 
використовувався як альтернативна передача даних на сервер. Розвинене 
живлення вбудованої системи забезпечується імпульсним джерелом живлення 
(SMPS), який забезпечує очищені та відфільтровані ±  12 В для всіх модулів 
схеми. Розроблений вбудований блок обробки та управління був сполучений з 
різними комерційними датчиками, які вже інтегровані з установкою RO для 
вимірювання різних параметрів. 
 
Розробка програмного пакету 
Різні модульні програми були написані на C+++ з компілятором GCC для 
функціонування розробленого вбудованого блоку моніторингу стану заводу 
RO. Платформа Qtopia з відкритим вихідним кодом була використана для 
розробки графічного інтерфейсу користувача для візуалізації даних та взаємодії 
з користувачем. Розроблений програмний комплекс забезпечує ряд засобів для 
безпроблемної експлуатації та регулярного обслуговування. Кілька головних 
функцій – це вікно заданої точки на місці для конкретних порогових значень 
pH, TDS, швидкості потоку, візуалізації даних у режимі реального часу різних 
параметрів установки RO, кілька варіантів передачі даних і етапи роботи 
установки RO на місцевій мові. Основний програмний модуль ініціалізує різні 
датчики якості води, датчики потоку, датчики рівня, датчики тиску, аналого-
цифровий перетворювач, E2ROM, модуль Bluetooth, послідовний порт, модуль 
GSM, модуль розширення портів, блок моніторингу збою фази, а також 
діагностику загальний вбудований блок. Мікроконтролер зв'язується з 
розробленим спеціалізованим апаратним блоком за допомогою протоколу I2C 
для керування різними приводами, а також для отримання інформації від різних 
датчиків. 
Розроблений пакет програмного забезпечення має опцію з меню з чотирма 
різними режимами роботи блоку моніторингу стану заводу ОО: перший – це 
 режим візуалізації даних, другий - режим заданої точки для певного місця, 
третій - режим передачі даних, і останній - режим навчання. Режим візуалізації 
даних надає можливість отримати доступ до різних параметрів установки RO в 
режимі реального часу, а також перевести установку в різні режими, такі як 
режим процесу, режим полоскання, режим хімічного прання та режим 
промивання водою. Режим заданої точки, що залежить від місця розташування, 
має параметри для встановлення верхніх і нижніх порогів для критичної реакції 
датчиків, таких як pH, TDS і витрата. Система запускає тривогу для оператора 
заводу RO, оскільки відповідь датчиків у реальному часі перетинає задані 
значення. Режим передачі даних надає варіанти передачі даних у реальному 
часі до хмари та сервера за допомогою модуля 2G GSM або інтерфейсу додатка 
на базі смартфона оператора, тоді як режим навчання надає покрокові точки 
для роботи заводу з ОО місцевою мовою. Усі розроблені модульні програми 
пов’язані з програмою на основі графічного інтерфейсу користувача головного 
меню для роботи з блоком моніторингу стану заводу RO для прогнозування 
несправностей та прогнозного обслуговування. Raspbian Jessie OS була 
портована вбудована система на базі raspberry pi, а додатково розроблений 
пакет програмного забезпечення перенесено на вбудовану систему на базі 
raspberry pi3. 
 
Програма для Android на основі смартфона та інтерфейс візуалізації та 
аналітики даних на основі веб-сторінок 
Передача даних від вбудованого блоку моніторингу стану заводу RO до 
хмари або веб-сервера є складним і важким завданням у різних віддалених 
місцях Індії. Однією з головних проблем, з якою стикаються під час 
встановлення блоків моніторингу стану РО станції в різних селах, є наявність 
мережі для передачі даних. Спочатку модуль 2G GSM використовувався для 
передачі даних із системи моніторингу стану заводу RO на сервер, але виникли 
різні проблеми, пов’язані з доступністю мережі. Сила мережі різних фірм 
змінюється від села до села. Для вирішення вищезазначених проблем 
реалізовано новий інноваційний підхід передачі даних із вбудованого пристрою  
в хмару. Пропонований підхід складається з двоетапної передачі даних: 
перший – від вбудованого блоку моніторингу RO до програми для Android на 
основі смартфона, а другий – зі смартфона в хмару за допомогою смартфона 
оператора. Розроблено спеціальний інтерфейс програми на основі смартфона, 
щоб передавати дані з блоку моніторингу стану заводу RO на смартфон і далі в 
хмару. Платформа Android Studio з відкритим вихідним кодом була 
використана для розробки інтерфейсу додатків на основі смартфона.  
Розроблений інтерфейс програми на основі смартфона забезпечує 
зовнішній вигляд для відображення різних параметрів заводу RO, таких як pH, 
TDS, потік корму та води продукту, стан вхідної потужності, рівень вхідного та 
вихідного резервуара, стан вхідного трубопроводу, режими роботи заводу та 
загальний стан. стан заводу. Розроблений додаток також надає варіанти 
передачі за хвилину даних заводу RO разом з інформацією про 
місцезнаходження в хмару Google Firebase. Крім того, була розроблена окрема 
веб-сторінка для доступу до хмари для візуалізації даних у реальному часі. 
Розроблена веб-сторінка надає інформацію в режимі реального часу про всі 
встановлені змінні технологічного процесу на заводі RO, такі як pH корму та 
продукту, TDS, швидкість потоку, тиск, а також тривалість різних режимів 
роботи (режим процесу, режим полоскання, режим хімічного миття та режим 
промивання водою). інформації. Користувач може легко отримати доступ до 
даних у режимі реального часу або статусу будь-якого заводу RO, просто 
натиснувши його місцезнаходження на карті Google. Додаток для Android 
також має можливість зберігати щоденні дані в пам’яті смартфона у форматі 
файлу Excel. Він також надає можливість зробити знімок розташування заводу 
RO та передати його в хмару як резервну копію інформації про 
місцезнаходження. Додаток для Android також інтегрує всі дані RO заводів з 
інформацією про місцезнаходження на карті Google для легкого розуміння, 
швидкого оцінювання та дій. Загальна схема передачі даних (рис. 5) від блоку 
моніторингу стану заводу РО до інтерфейсу користувача виглядає наступним 
чином. 
 
Рисунок 4.5- Загальна схема зв'язку для розробленого вбудованого блоку 
моніторингу стану станції РО. 
Алгоритми для раннього прогнозування несправностей і прогнозного 
обслуговування 
Забруднення та утворення накипу на мембрані зворотного осмосу (RO) є 
однією з головних проблем для виробників мембран, наукового співтовариства 
та професіоналів галузі. Явище забруднення мембрани та накипу негативно 
впливає на систему опріснення RO. Прогнозування забруднення та утворення 
накипу в системах RO є ключовими проблемами, а також важливими для 
оцінки довгострокової продуктивності та вартості. Оскільки мембрана є одним 
із важливих і дорогих елементів установки зворотного осмосу, для збільшення 
терміну служби мембрани необхідні безперервне хімічне промивання та вода. 
Регулярне промивання хімічними речовинами та водою зменшує ймовірність 
раннього забруднення мембрани та утворення накипу. Дослідники представили 
різні методи та методи прогнозування забруднення мембрани для різних 
методів обробки води, таких як мікрофільтрація (Liu et al. 2009; Davis 1992; 
Duclos- 
Orsello et al. 2006), зворотний осмос (Ruiz-García et al. 2017; Yiantsios et al. al. 
2005), але не спостерігалося значних зусиль у напрямку розвитку портативної 
вбудованої системи для раннього прогнозування несправностей та прогнозного 
обслуговування установки зворотного осмосу. Розроблений блок моніторингу 
стану заводу RO був інтегрований із установкою зворотного осмосу 
потужністю 2000 л/год, встановленої в кампусі інституту та безперервно 
працював шість годин на день протягом 10 днів. Дані в режимі реального часу 
від різних датчиків отримували епізодично з використанням розробленого 
блоку моніторингу стану заводу РО. Протягом 7 днів безперервно збиралися 
дані датчиків витрати, тиску та якості води в режимі реального часу про 
кормову та продуктову воду.  
Процес промивання водою проводився для очищення мембрани RO після  
кожного дня збору даних. Було помічено, що параметри живильної води майже 
постійні, тоді як параметри води продукту також змінюються дуже повільно 
протягом періоду часу. Частота дискретизації для збору даних датчиків, 
інтегрованих із установкою RO, оптимізована на основі дослідження та 
спостережень і зафіксована на одній годині (рис. 6). Датчики тиску в реальному 
часі (P1, P2 і P3 на рис. 4) і датчики потоку (F1, F2 на рис. 4) використовувалися 
для вимірювання загальної швидкості потоку живильної та продуктової води. 
Відповіді датчиків pH і TDS використовувалися для оцінки якості корму та 
води для продуктів. Загальні отримані дані були використані для розробки 
моделей для прогнозування подій мембранного забруднення та масштабування, 
і на основі цієї інформаційної системи генерує раннє попередження, а також 
прогнозує різні прогнозні дії, такі як хімічне промивання, промивання водою, 
заміна мембрани. Аналіз ефективності мембрани (рис. 7) був проведений з 
використанням даних датчиків у реальному часі, і було помічено, що 
ефективність установки зворотного осмосу знижується з часом роботи. 
 
Рисунок 4.6- Зміна швидкості потоку та якості води у кормовій та 
продуктовій воді. 
 
Рисунок 4.7- Аналіз ефективності зворотноосмотичної мембрани за період 
15 днів. 
Також було помічено, що ефективність установки зворотного осмосу 
залежить від частоти хімічного промивання мембрани, промивання водою та 
зворотного промивання. Аналіз ефективності може чітко вказати на подію 
мембранного масштабування, оскільки ефективність мембрани раптово 
монотонно падає до 25 відсотків. Методи на основі штучної нейронної мережі 
(ANN) були реалізовані в MATLAB 2015a, щоб передбачити забруднення 
мембрани та події масштабування. Архітектура на основі кількох входів та 
одного виходу була використана для прогнозування забруднення мембрани та 
подій масштабування. П’ять параметрів заводу, таких як швидкість потоку 
корму та продукту, параметри якості води для продукту (pH, TDS) і частота 
промивання водою разом із часом роботи установки, були використані як вхідні 
дані у вхідному шарі та передбачили ефективність однієї вихідної мембрани у 
вихідному шарі. Методом проб і помилок досягнуто оптимальної кількості 
нейронів у прихованому шарі. Нейронів прихованого шару варіювали від 1 до 
7, а отримані результати порівнювали в контексті складності, часу обчислень і 
точності. Для досягнення найкращих результатів у MATLAB 2015a було 
впроваджено два найбільш досліджені алгоритми навчання, такі як Левенберг-
Марквардт і байєсіанське регулювання. Крім того, продуктивність обох 
алгоритмів навчання (Таблиця 1) була порівняна на основі 
середньоквадратичної помилки, кількості нейронів і точності, а кінцеві 
значення ваги та зміщення були оновлені в блоці моніторингу стану заводу RO, 
щоб передбачити ефективність установки, і На основі зміни ефективності 
мембрани система генерує індикатор безшумної тривоги, що вказує на 
забруднення мембрани та утворення накипу. 
Таблиця 1 Порівняння ефективності двох різних методів навчання, що 
використовуються для нарощування мембрани та прогнозування забруднення. 
Набір даних всіх зразків (75 зразків) був розділений на три різні набори 
даних, такі як навчання, тестування та перевірка. Набір даних для навчання 
складається з 70% набору даних, тоді як набір даних тестування та перевірки 
складається з 15% кожен. Процес навчання зупинено, оскільки 
середньоквадратична помилка перестає покращуватися. Для обох алгоритмів 
навчання було проаналізовано середньоквадратичне значення із зміною 
кількості нейронів у прихованому шарі (рис. 8). З обох методів навчання 
алгоритм навчання байєсовського регулювання працює найкраще з найменшою 
середньоквадратичною помилкою (1,2814 × 10−10), меншою кількістю нейронів 
у прихованому шарі (5) і з найвищою точністю (R2 = 99,99%). 
 
Рисунок 4.8- Варіація середньоквадратичної помилки з кількістю нейронів 
у прихованому шарі. 
Результати випробувань та польових випробувань 
Розроблений вбудований блок моніторингу стану заводу РО був 
протестований на установці РО, встановленої в кампусі інституту потужністю 
2000 л/год. Тестований блок моніторингу стану заводу з очисним 
випромінюванням був встановлений разом із різними вже існуючими 
установками RO з потужністю 500–2000 л/год у десяти різних прилеглих селах  
Раджастана, таких як Тамкор, Гугне кі Дхані, Рабуді, Мукха ка бас, 
Джхунджхуну для моніторингу реального часовий статус заводів RO. Було 
помічено, що розроблений блок моніторингу стану заводу РО надає дані в 
режимі реального часу про параметри заводу РО, а також здатний передбачити 
різні події, пов’язані з поведінкою мембрани, такі як нарощування мембрани та 
забруднення. Система також передбачає різні види технічного обслуговування 
щодо таких дій, як хімічне промивання мембрани, промивання водою, заміна 
мембрани, неправильна робота установки RO, аварійне відключення 
електроенергії. Розроблена система також має можливість автоматичної 
діагностики несправностей для виявлення та повідомлення про внутрішні 
помилки, пов’язані з датчиками та пошкодженнями ланцюга. 
Обговорення та висновок 
Розроблені системи контролюють різні параметри заводу, такі як витрата 
живильної та продуктової води, тиск, pH, TDS, напруга надлишкової та 
недостатньої подачі, рівень вхідної та вихідної води в резервуарі. Розроблена 
система забезпечує раннє виявлення несправностей, пов’язаних із 
забрудненням мембрани, утворенням накипу, пошкодженням датчиків, сухим 
ходом насосів, неправильною роботою установки та багато іншого. Система 
також пропонує різні прогнозні дії оператору установки через регулярні 
проміжки часу, щоб уникнути несправностей. Інтерфейс програми на основі 
смартфона з різноманітними розширеними функціями, такими як збір даних із 
вбудованого блоку моніторингу стану заводу, передає їх у хмару. Розроблений 
інтерфейс програми також надає можливість інтегрувати дані заводу в режимі 
реального часу на карту Google з інформацією про місцезнаходження для 
швидкого розуміння та швидкого обслуговування. Досліджено різні алгоритми 
на основі ANN для прогнозування ефективності мембрани з використанням 
різних параметрів установки зворотного осмосу як вхідних даних. Сучасна ідея 
контролювати стан установки зворотного осмосу та завчасно прогнозувати 
різні несправності дозволяє уникнути ситуації непрацездатності установки RO, 
а також збільшує термін служби установки в цілому. Він також направляє 
оператора установки щодо різних етапів експлуатації, несправностей та дій з 
технічного обслуговування через регулярні проміжки часу. Загальна 
розроблена система є економічно ефективною, портативною та легкою у 
використанні для сільських жителів або будь-якої некваліфікованої людини. 
5 ЕКОНОМІЧНА ОЦІНКА ТЕХНОЛОГІЇ ЩО ПРОПОНУЄТЬСЯ 
Для того, щоб грамотно запроектувати і розрахувати необхідну кількість 
мембран, хімічний склад фільтрату, ступінь очищення, кількість промивок і 
багато інших властивостей і якості існує безліч різних методів і програм 
розрахунку. технологічні 
розрахунки обратноосмотічеськіх і нанофільтраційних процесів поділу 
служать основою, які: 
- дозволяють грамотно проектувати установки промислового призначення, 
- дають рекомендації по оптимальному режиму експлуатації, що дозволяє 
отримати необхідну якість води при мінімумі 
- експлуатаційних витрат, визначають час роботи до проведення 
профілактичних заходів і кількість використовуваних реагентів. 
Вихідними даними для розрахунків служать аналізи складу води і 
характеристики джерела водопостачання, вимоги до продуктивності установки 
і якісними показниками пермеата, а також існуючі обмеження по 
водоспоживанню і водовідведення, енергопостачання та можливостям 
застосування технологій попередньої обробки води. 
В результаті розрахунків визначаються: робочий тиск, кількість і тип 
застосовуваних мембранних елементів, архітектура установки, технологія 
передпідготовки води, енергоспоживання установки, склад пермеата і 
концентрату і їх витрата, оптимальне значення гідравлічного ККД, необхідність 
застосування та розрахункові дози споживання реагентів (Кислот, лугів, 
інгібіторів солеотложенія). 
Програми розрахунку дозволяють в залежності від складу вихідної води 
(Фільтрату) вибрати мембрани, що забезпечують оптимальний склад води, 
відповідає вимогам СанПіН, а також вибрати оптимальні значення робочих 
параметрів мембранних установок (величини робочого тиску і виходу 
фільтрату). Залежно від складу вихідної води змінюється і швидкість освіти на 
мембранах опадів (карбонату кальцію, гідроксиду заліза, колоїдних і зважених 
речовин, органічних речовин).  
Програми дають прогноз зниження продуктивності установки з плином 
часу і зміни показників якості фільтрату, що дозволяє визначити тривалість 
роботи установки до «проскакування» небажаних з'єднань в фільтрат. 
Дозволяють швидко і легко 
виконати попередні розрахунки показників роботи елементів в конкретних 
умовах. Для оцінки роботи обратноосмотічеськіх установок необхідно робити 
кілька варіантів розрахунків з різними параметрами. 
Фірми - виробники мембранних апаратів (елементів) - Filmtec, Hydranautics 
- пропонують покупцям комп'ютерні програми, допомагають, провести 
розрахунок схеми оптимального гідравлічного розподілу і визначити хімічний 
склад фільтрату виходячи з заданих характеристик установки. Програми, 
розроблені WATERLAB для розрахунку установок нанофільтрації і зворотного 
осмосу, відрізняються можливістю прогнозу роботи установок і підбору 
кількості споживаних реагентів.  
 
Рисунок 5.1  Программа WaterLab 
 
Програма ROSA, розроблена компанією «Dow Chemical».  
Програма розрахунку установок зворотного осмосу і нанофільтрації, 
дозволяє розробникам і проектувальникам легко і просто прогнозувати робочі 
показники і експлуатаційні витрати на обслуговування установок в тих чи 
інших робочих умовах. Щоб розробники та проектувальники мали 
максимально повну і достовірну інформацію, РОСА містить інтерактивну 
технічну базу даних. У разі прийняття рішення про застосування інгібіторів 
солеотложенія обов'язковим вимогою є проведення додаткового технологічного 
розрахунку процесу інгібування.  
 
 Рисунок 5.2 Інтерфейс програми ROSA 
 
Отметим, что из-за большего разброса свойств нанофильтрационных 
мембран и их зависимости от конкретного состава питательной воды 
проектирование установок, использующих технологию нанофильтрации, может 
потребоваться, помимо расчетов, и проведение полномасштабных пилотных 
испытаний – особенно, если потребителю необходимы гарантии определенного 
состава пермеата и концентрата. 
 
ВИСНОВКИ 
Основні фактори, що стимулюють впровадження мембранних технологій: 
безпека питної води, зрослі вимоги до якості обробки стічних вод, стрімке 
зростання водоспоживання і необхідність модернізації існуючого обладнання 
водопостачання.  
Мембранні технології є реальною альтернативою традиційним технологіям 
підготовки питної та індустріальної води.  
Питомі витрати на обробку води мембранами не тільки стали порівняні з 
традиційними методами, а й неухильно знижуються.  
Інтенсивно ведуться роботи по створенню нових механічно, хімічно і 
термостійких мембран.