Разработка мембранных технологий с уменьшенным расходом воды на собственные нужды

Аннотация

Рассмотрены вопросы совершенствования мембранных технологий, используемых в водоподготовке, для снижения расхода концентрата установок обратного осмоса и промывных вод установок ультрафильтрации. Изменение конструкции мембранного канала позволяет ликвидировать причины образования кристаллов осадка. Предложены новые технологии очистки воды с утилизацией концентрата и уменьшением расхода воды на собственные нужды.

Ключевые слова:

фильтрат , водоподготовка , концентрат , мембрана , обратный осмос , ультрафильтрация

Скачать статью в журнальной верстке PDF

Способность мембран одновременно задерживать из воды целый ряд различных по природе загрязнений (растворенные органические вещества, ионы жесткости, железа, фтора, аммония, а также взвешенные вещества, коллоиды, бактерии и вирусы) давно привлекала внимание специалистов возможностью разработки высокоэффективных систем подготовки воды для питьевых и технических целей. Однако опыт создания мембранных технологий очистки воды показал, что использование мембранных аппаратов требует проведения тщательной и эффективной предочистки и ряда операций (дозирование реагентов, химические промывки, поддержание заданного гидравлического режима работы и величины выхода фильтрата) для предотвращения опасности осадкообразования на мембранах и быстрого их износа. Поэтому при получении очищенной воды высокого качества преимущества мембран часто сводятся на нет при сравнении их с традиционными схемами очистки на основе процессов коагуляции, фильтрования, сорбции и ионного обмена. Основным показателем здесь служит расход воды на собственные нужды водоочистной станции, связанный с наличием сбросных расходов концентратов и промывных вод, которые необходимо «утилизировать». Снижение расхода концентрата установок обратного осмоса и промывных вод установок ультрафильтрации до сих пор остается нерешенной проблемой.

Большие расходы концентрата (малые величины выхода фильтрата), назначаемые проектировщиками установок, – результат создания условий для безопасной работы, позволяющей избежать образования на мембранах осадков малорастворимых солей, в основном карбоната кальция. Таким образом, ключом к модернизации мембранных технологий является использование более совершенных аппаратов, снижающих опасность осадкообразования и тем самым упрощающих весь комплекс технологических мероприятий, традиционно применяемых разработчиками мембранных установок.

Изменение конструкции мембранного канала позволяет ликвидировать причины зарождения кристаллов осадка и предложить новые технологии очистки воды с утилизацией концентрата и уменьшением расхода на собственные нужды. Новая конструкция рулонного аппарата с «открытым» каналом ставит целью исключить влияние сетки сепаратора как «ловушки» взвешенных частиц и уменьшить сопротивление потоку, резко увеличив «просвет» для прохождения воды. Основные положения, лежащие в основе новой разработки, были представлены в ранее опубликованных работах [1; 2]. Удаление сетки и снижение сопротивления позволяет поддерживать в мембранных аппаратах гидравлический режим, обеспечивающий отрыв частиц от поверхности мембран и предотвращающий осадкообразование [3]. Одновременно с этим удаление сетки из канала рулонного аппарата ликвидирует причины образования застойных зон, в которых начинается зарождение кристаллов малорастворимых солей, впоследствии приводящее к образованию на мембранной поверхности целых областей, покрытых кристаллическими отложениями.

Как известно, растворы карбоната и сульфата кальция обладают достаточно высокой стабильностью, т. е. не проявляют склонность к опалесценции и осадкообразованию при достаточно высоких значениях степени пересыщения по указанным соединениям. Поэтому отсутствие застойных зон и минимальные значения уровня концентрационной поляризации дают возможность максимально увеличивать выход фильтрата и повышать кратность концентрирования исходной воды в мембранных установках без опасности выпадения осадков малорастворимых солей на мембранах.

Примембранный слой, участвующий в формировании концентрационной поляризации, является по существу реактором, в котором происходит коагуляция взвешенных, коллоидных и органических веществ, а также зарождение кристаллов карбоната кальция. Поэтому технология выведения из водного раствора осадков коллоидных веществ и малорастворимых солей за счет их концентрирования в примембранном слое представляется привлекательной, поскольку не требует использования реагентов. Как показано в ряде отечественных и зарубежных работ, образовавшиеся на поверхности мембран частицы осадков «срываются» с нее при увеличенных скоростях транзитного потока над мембраной, и для удаления осадков проводятся гидравлические промывки со сбросом давления.

Похожий подход используется при очистке природных и сточных вод с помощью трубчатых мембранных аппаратов, эксплуатируемых при больших скоростях транзитного потока. Однако такой процесс требует больших капитальных и эксплуатационных затрат. При применении мембран обратного осмоса и нанофильтрации эксплуатационные затраты значительно падают, поскольку уровень развития концентрационной поляризации в аппаратах с обратноосмотическими мембранами оказывается намного ниже, чем в аппаратах с ультрафильтрационными мембранами. Главным отличием описываемой технологии является использование аппаратов рулонного типа, в которых отсутствует турбулизирующая вставка и канал является «открытым», благодаря чему в нем поддерживаются те же гидравлические условия, что и в трубчатом канале.

На рис. 1 показана технологическая схема очистки поверхностных вод для снижения мутности, цветности и перманганатной окисляемости. Мембранная установка работает в циркуляционном режиме, благодаря чему выход фильтрата может составлять до 90–95%. Вода, содержащая осадок взвешенных веществ после гидравлической промывки мембранных аппаратов, собирается в специальный отстойник. Промывная вода после отстаивания смешивается с исходной водой. Осадок удаляется на обезвоживание, образующаяся при этом иловая вода также может смешиваться с исходной водой.

Таким образом, выпавший в отстойнике промывных вод осадок содержит все загрязнения, подлежащие удалению (в случае очистки поверхностных вод – взвешенные вещества, коллоиды, осадок также адсорбирует органические вещества, образующие цветность). Концентрат, из которого удалены все загрязнения, может смешиваться с очищенной водой, и смешанный поток содержит все компоненты (солесодержание, железо, цветность, перманганатная окисляемость) на уровне требований СанПиН. В табл. 1 представлены результаты химического анализа природной поверхностной воды (р. Десна), концентрата (исходной воды, сконцентрированной в 6 раз по объему) и фильтрата (при выходе фильтрата 85%).

Описанная технология может применяться только для исходной воды, содержащей легко удаляемые загрязнения: коллоидные вещества, цветность, железо и т. д. При избыточном содержании в воде ионов жесткости, фторид-ионов, ионов аммония, стронция и т. д. могут использоваться более сложные технологические приемы. В этих случаях с очищенной водой может смешиваться не весь поток концентрата, а только часть, обеспечивающая допустимое содержание в смеси (в очищенной воде) растворенных загрязнений, делающее ее пригодной для питьевых целей. Оставшаяся часть концентрата может быть направлена в канализацию или удалена с влажным осадком. Количество воды в осадке, направляемом на обезвоживание, составляет обычно 0,8–1% количества исходной воды. Поэтому концентрат может быть сконцентрирован в 50–100 раз по объему с помощью установки обратного осмоса, и все избыточные соли будут удаляться вместе с осадком.

Методы обратного осмоса и нанофильтрации чрезвычайно эффективны при очистке подземных вод от железа, жесткости, а также фторидов, аммония, стронция, нитратов, мышьяка и других растворенных веществ. Однако проблему представляет наличие концентратов – растворов, содержащих избыточные соли и удаляемые загрязнения. Уменьшение расхода концентрата может быть достигнуто многократным концентрированием – увеличением выхода фильтрата. Технологическая схема мембранных установок для очистки подземных вод (одновременного умягчения и обезжелезивания) приведена на рис. 2.

Важным фактором, препятствующим многократному концентрированию исходной воды, является образование карбоната кальция. Использование мембранных аппаратов с «открытым» каналом позволяет многократно концентрировать пересыщенные по карбонату кальция растворы без опасности образования на мембранах кристаллических отложений и предложить технологию безреагентного осаждения и удаления карбоната кальция. Принципы удаления из воды избыточного карбоната кальция представлены на рис. 2. Концентрат после обратноосмотической установки проходит через реактор, в котором находится слой уже образовавшегося осадка карбоната кальция (затравка).

Установка обратного осмоса работает в режиме циркуляции, концентрат проходит через реактор и направляется на вход в установку. Таким образом, в реактор поступает постоянно концентрирующийся раствор с увеличенными значениями рН и концентраций ионов кальция, бикарбонат-ионов и карбонат-ионов.

В табл. 2 приведены результаты химического анализа подземной воды и концентрата до и после реактора. По мере концентрирования карбонат кальция осаждается на затравке, и содержание ионов кальция в нем не возрастает (рис. 3). Таким образом достигается умягчение воды путем вывода из нее избыточного карбоната кальция без применения реагентов и увеличения ее общего солесодержания.

Для большинства случаев подготовки питьевой воды требуется лишь частичное удаление из воды ионов жесткости, железа, фторид-ионов, нитратов, ионов аммония, стронция и др. Поэтому бльшая часть концентрата может смешиваться с прошедшей через мембраны очищенной водой. Описанный технологический подход позволяет практически полностью утилизировать концентрат, получая воду питьевого качества и обезвоженный осадок (если осадок направляется на механическое обезвоживание, то иловая вода после обезвоживания может смешиваться с исходной водой). В ряде случаев с учетом значений общего солесодержания или концентраций различных ионов невозможно смешивать концентрат с фильтратом. При этом с использованием описанных выше технологических приемов можно сконцентрировать исходную воду в 100–200 раз (доводя объем концентрата установки до 0,5% общего объема исходной воды). При исходном солесодержании воды порядка 300–500 мг/л, сконцентрировав воду в 100 раз по объему, можно получить раствор с концентрацией солей порядка 30–50 г/л, что составляет практически максимально возможное значение для установок обратного осмоса.

Используя вышеописанную технологию осаждения карбоната кальция из концентрата, можно снизить общее солесодержание исходной воды на 30–40% и увеличить кратность ее концентрирования до 150–180. После обезвоживания осадок содержит связанную воду обычно в объеме 0,4–0,5% общего количества исходной воды. Таким образом, представляется возможным концентрировать исходную воду и выводить избыточные соли в виде связанной воды вместе с осадком в объеме, не превышающем 0,4% общего количества воды (рис. 2).

Описанная технология может применяться для эффективной утилизации иловой воды на действующих сооружениях обезвоживания осадка водопроводных станций. Иловая вода содержит в больших количествах коагулянт (алюминий), флокулянт, органические соединения, образующие цветность, и часто не может быть утилизирована или сброшена в открытый водоем. В соответствии с предложенной технологией (рис. 4) иловая вода может быть очищена с помощью обратноосмотических мембран с получением фильтрата высокого качества. При этом иловая вода в установке обратного осмоса может быть сконцентрирована по объему в 10–15 раз для того, чтобы объем сбросного (выводимого из системы) концентрата был равен объему воды, содержащемуся в обезвоживаемом осадке. На схеме показано, как вода в осадкоуплотнителе постоянно концентрируется с помощью установки обратного осмоса, поддерживая материальный баланс: количество солей, поступающих с осадком, равняется количеству солей в обезвоженном осадке. Очищенная с помощью мембран вода может смешиваться с питьевой или использоваться для технических нужд, а иловая вода после обезвоживания направляется обратно в осадкоуплотнитель.

Обратный осмос имеет большие перспективы применения в энергетике в схемах водоподготовки ТЭС. Однако сравнительный технико-экономический анализ современных технологических схем показывает, что бльшая часть эксплуатационных затрат на водоподготовку с помощью обратного осмоса требуется для борьбы с осадкообразованием на мембранах – для предочистки исходной воды и химической регенерации мембран. На рис. 5–8 показаны принятые на объектах теплоэнергетики схемы водоподготовки (с использованием ионного обмена, ионного обмена с противоточной регенерацией, «классической» схемы обратного осмоса и ультрафильтрации для предочистки и обратного осмоса с электродеионизацией для обессоливания).

В табл. 3 приведены затраты на химводоочистку для описанных схем, рассчитанные для одного гипотетического состава поверхностной воды. Как видно из табл. 3, применение технологии обратного осмоса по сравнению с технологией ионного обмена позволяет значительно снизить затраты на реагенты (кислоты и щелочи). Однако сравнительно высокие затраты на мембранные установки объясняются высокими расходами воды на собственные нужды (наличием концентрата) и расходами на реагенты предочистки (на ингибитор или ионообменное умягчение). Для уменьшения затрат на обратный осмос, очевидно, следует снизить затраты на собственные нужды (уменьшить сбросные расходы концентрата) и отказаться от реагентов на стадии предочистки.

На объектах теплоэнергетики концентрат обратноосмотических установок часто утилизируется в системах водного хозяйства объекта (в оборотных и других системах), поэтому большое значение имеет не столько утилизация концентрата, сколько решение экономических вопросов: снижение эксплуатационных расходов, связанных с потреблением реагентов и электроэнергии, за счет уменьшения расходов воды на собственные нужды.

На рис. 9 и 10 приведены технологические схемы водоподготовки для ТЭЦ с использованием обратноосмотических аппаратов с «открытым» каналом, позволяющих обессоливать поверхностную воду без применения предочистки, реагентов и без сбросных рассолов, содержащих регенерационные реагенты. Исходная поверхностная вода подается насосами непосредственно в обратноосмотические аппараты первой ступени с «открытым» каналом. В схеме отсутствуют сооружения и реагенты для предочистки (реагенты для коагуляции, ингибиторы для предотвращения осадкообразования). Выход фильтрата на установке первой ступени составляет до 90%. Для глубокого обессоливания используется вторая ступень обратного осмоса.

Фильтрат второй ступени содержит не более 1 мг/л солей. Концентрат второй ступени с общим солесодержанием 200–250 мг/л направляется на вход в установку первой ступени и смешивается с исходной водой. Описанная схема позволяет использовать систему ионного обмена для глубокого дообессоливания воды без утилизации стоков ионообменных установок. Удельный расход регенерационных реагентов (кислот или щелочей) для регенерации ионообменных фильтров составляет не более 5 мг-экв на 1 г-экв удаляемых солей. Таким образом, расход регенерационных реагентов составляет ничтожно малое количество – 5 г/м³ обессоленной воды. Это количество смешивается с концентратом обратного осмоса первой ступени.

Утилизация концентрата производится путем его дальнейшего концентрирования и сбора осадков взвешенных веществ и карбоната кальция (рис. 1–3). Сконцентрированный в 100 раз по объему концентрат выводится из системы вместе со шламом (осадками взвешенных веществ и карбоната кальция). Сконцентрированный, умягченный и очищенный от взвешенных веществ концентрат первой ступени может смешиваться с исходной водой или с фильтратом обратноосмотических установок с получением умягченной воды, используемой для подпитки теплосети или оборотной системы.

Выводы

Основным параметром, влияющим на конкурентоспособность систем мембранной очистки по сравнению с традиционными технологиями, является расход воды на собственные нужды или расход сбросных концентратов. Наличие концентратов объясняется необходимостью поддержания в мембранных установках гидравлических режимов, препятствующих образованию на мембранах осадков различных веществ, содержащихся в воде. Опасность образования в аппаратах осадков обусловлена несовершенством их конструкции. Ключом к модернизации мембранных технологий очистки воды является использование усовершенствованных аппаратов, позволяющих избежать осадкообразования на мембранах в процессе их эксплуатации.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 08-08-00773-а).

Список литературы

Первов А. Г., Андрианов А. П., Юрчевский Е. Б. Совершенствование конструкций мембранных аппаратов // Водоснабжение и сан. техника. 2009. № 7.
Юрчевский Е. Б., Первов А. Г., Андрианов А. П., Пичугина М. А. Исследование технологических характеристик мембранных элементов с открытыми напорными каналами // Теплоэнергетика. 2009. № 11.
Юрчевский Е. Б., Первов А. Г., Андрианов А. П., Пичугина М. А. Исследование процессов формирования отложений в мембранных аппаратах с открытыми напорными каналами // Энергосбережение и водоподготовка. 2008. № 4 (54).