Применение нанофильтрационных мембран ОПМН-К для получения питьевой воды и расчет эксплуатационных показателей установок

Аннотация

Представлены рекомендации по применению нанофильтрационных мембран ОПМН-К производства ОАО «Владипор» для очистки природных вод и получения питьевой воды высокого качества. Показано, что при высокой эффективности удаления из воды ионов железа, жесткости, фтора, аммония мембраны ОПМН значительно менее подвержены опасности образования на них осадков карбоната кальция, чем традиционно используемые низконапорные обратноосмотические мембраны. В зависимости от качества исходной воды и типа мембран разработанные рекомендации позволяют определить расходы реагентов для эксплуатации установок. Приведенные расчеты показывают, что использование мембран ОПМН-К вместо обратноосмотических мембран ESPA и их аналогов позволяет значительно сократить расходы на эксплуатацию систем очистки подземных вод.

Ключевые слова

нанофильтрационная мембрана , ингибитор , селективность , эксплуатационные затраты , установка обратного осмоса

Скачать статью в журнальной верстке PDF

Для получения воды питьевого качества из подземных вод с невысокой минерализацией используют мембраны обратного осмоса и нанофильтрации, которые эффективно задерживают ионы жесткости и железа, а также ряд загрязнений в ионной форме: фториды, аммоний, стронций, нитраты и др. [1]. Мембраны по-разному задерживают различные ионы в зависимости от их природы, заряда и валентности, поэтому для прогнозирования качества фильтрата используют программы компьютерного расчета.

При подборе мембран важно учитывать тот факт, что в зависимости от типа и селективности мембраны не только по-разному задерживают ионы, но и в разной степени способствуют осадкообразованию. Вследствие этого период проскока загрязнений в фильтрат и время работы установок до проведения промывок также отличаются. Например обратноосмотические мембраны обеспечивают высокую эффективность снижения концентрации фторид-ионов, ионов аммония и железа (на 90% и выше). При этом из-за интенсивного образования осадка карбоната кальция на мембранах селективность по этим ионам может быстро падать. Нанофильтрационные мембраны имеют низкую селективность по одновалентным ионам, но менее подвержены влиянию осадкообразования, обеспечивая более продолжительный период работы при более стабильных показателях качества очищенной воды.

Авторами была поставлена задача получить новые данные, позволяющие прогнозировать селективность нанофильтрационных мембран по ряду компонентов: основным ионам (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, Cl^–, SO₄^2–, HCO₃^–), ионам железа, фторид-ионам, представляющим опасность с гигиенической точки зрения. Цель экспериментов – прогнозирование изменения качества очищенной воды с течением времени при эксплуатации мембранных установок [1–3]. Изучение селективных свойств нанофильтрационных мембран проводилось на лабораторной установке, представленной на рис. 1.

Исходная вода заливается в емкость 1, откуда насосом 2 подается в мембранный нанофильтрационный аппарат 3
(аппарат типа 1812 с нанофильтрационными мембранами ОПМН-К производства ОАО «Владипор», площадь поверхности мембран 0,5 м²). Фильтрат направляется в емкость 4, а концентрат возвращается в емкость 1. Рабочее давление устанавливается вентилем 6. В процессе экспериментов производится отбор проб очищенной воды и концентрата.

В зависимости от количества воды в емкости 4 устанавливается величина выхода фильтрата (соотношение между расходом фильтрата и концентрата), или кратность объемного концентрирования. Чем больше величина выхода фильтрата, тем выше в нем концентрация солей. Данная методика моделирует работу нанофильтрационной установки и позволяет определить параметры очищенной воды в зависимости от заданной величины выхода фильтрата. Селективность мембран по ионам F^– и Fe²⁺ определяли в широком диапазоне концентраций ионов Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, SO₄^2–, HCO₃^–, Cl^–.

Эксперименты проводили на воде московского водопровода с добавлением растворов FeSO₄ и NaF, концентрации ионов Fe²⁺ и F^– составляли 2 и 5 мг/л. Для моделирования состава подземной воды в водопроводную воду добавляли растворы солей NaCl, CaCl₂, MgSO₄, Na₂SO₄, NaHCO₃ с концентрацией 5 и 10 мг-экв/л.

На рис. 2 и 3 представлены зависимости концентраций ионов F^– и Fe²⁺ в фильтрате от кратности объемного концентрирования исходной воды в аппарате.

При образовании осадка на поверхности мембран развивается концентрационная поляризация, благодаря чему концентрация ионов у поверхности возрастает. Развитие этого процесса приводит к повышению кратности концентрирования в аппарате (увеличивается выход фильтрата), вследствие чего ухудшается качество фильтрата [4].

На рис. 4, а показаны зависимости концентрации различных ионов в фильтрате от кратности концентрирования исходной воды на разных стадиях образования осадка в рулонном мембранном элементе типа 1812 (при количествах осадка 3000, 4800 и 6000 мг-экв/м² мембранной поверхности).

Полученные данные позволяют прогнозировать изменение состава фильтрата с течением времени в зависимости от состава исходной воды и выбранной величины выхода фильтрата (кратности концентрирования).

Для прогнозирования изменения селективности нанофильтрационных мембран необходимо использовать экспериментально полученные данные по определению скорости роста осадка карбоната кальция в мембранных аппаратах в зависимости от состава исходной воды. Серия экспериментов проводилась на лабораторной установке при различных концентрациях ионов Са²⁺, Сl^–, SО₄^–, HCO₃^–, Na⁺ и различных величинах общего солесодержания. Результаты экспериментов представлены на рис. 5. Полученные зависимости скорости осадкообразования от кратности концентрирования справедливы для исходной воды любого состава с жесткостью 1–30 мг-экв/л и солесодержанием 100–1000 мг/л. Для определения зависимости скорости осадкообразования от кратности концентрирования исходной воды заданного состава (концентрации Са²⁺, HCO₃^–, SO₄^–, общего солесодержания) использовался метод интерполяции, согласно которому искомая кривая находится между экспериментально полученными кривыми для заданных значений концентрации ионов Са²⁺, HCO₃^– и др. [5; 6].

Пример поиска расчетных зависимостей показан на рис. 5. Сначала определяются кривые 1 и 2, соответствующие водопроводной воде с заданной жесткостью (рис. 5, а), при разных значениях солесодержания (рис. 5, б) и щелочности (рис. 5, в). Для примера взята вода с жесткостью 5 мг-экв/л, щелочностью 3 мг-экв/л и величиной общего солесодержания 750 мг/л. Затем определяются кривые, соответствующие заданным величинам жесткости при разных величинах щелочности и общего солесодержания. Результирующая кривая 5 находится методом интерполяции между полученными кривыми 3 и 4, соответствующими заданной величине щелочности.

Методика прогнозирования изменения селективности мембран в процессе их работы включает следующие этапы:

для каждого состава исходной воды нужно определить интенсивность осадкообразования (получить зависимость скорости осадкообразования от кратности концентрирования) [4; 6];
для заданных условий эксплуатации (при выбранных значениях кратности концентрирования и соответствующей ей скорости осадкообразования) получить зависимость количества осадка от времени работы установки [6];
на основании полученных зависимостей содержания различных ионов в фильтрате от кратности концентрирования построить зависимость содержания этих ионов от количества накопленного осадка для выбранного значения кратности концентрирования;

изменение концентраций различных ионов в фильтрате можно представить в виде зависимости от времени работы установки, поскольку каждому значению количества осадка соответствует определенное время работы установки. На рис. 4, б показаны примеры прогнозирования изменения концентрации ионов F^– и Fe²⁺ в фильтрате при обработке модельных растворов, приготовленных на московской водопроводной воде, при различных значениях кратности концентрирования.

На основании проведенных исследований были обобщены и рассчитаны эксплуатационные режимы в зависимости от состава исходной воды и типа используемых мембран.

Для определения оптимального эксплуатационного режима необходимо идентифицировать состав исходной воды в соответствии с табл. 1. Буквенно-числовые индексы определяются исходя из концентраций кальция и бикарбонат-ионов, значения рН и общего солесодержания – по буквенным символам. Для полученных из табл. 1 значений индексов определяется оптимальный эксплуатационный режим (по табл. 2). Интервалы между промывками рассчитаны с учетом значений скорости осадкообразования в мембранных рулонных модулях при кратности объемного концентрирования 1,7 и 2,5 (соответственно при величине выхода фильтрата 40 и 60%).

Данные расчеты составлены для мембранных установок, работающих с использованием ингибиторов АМИНАТ (доза 1 мг/л), и мембран ОПМН-К без применения ингибитора.

Порядок расчета технологических показателей работы установки:

Идентификация состава воды по табл. 1.
Выбор типа мембран по табл. 2, определение концентрации ионов Ca²⁺, Fe²⁺, NH₄⁺, F^– в начале процесса.
Выбор графика увеличения концентраций (рис. 6).
Построение графика прогнозирования концентраций различных ионов в фильтрате в зависимости от времени.
Определение расхода реагентов на промывку мембран исходя из расхода моющей композиции 4–5 кг на промывку одного мембранного аппарата типа 8040 (диаметр 2000 мм, площадь мембранной поверхности 40 м²).

Использование данных рекомендаций позволяет сравнить работу нанофильтрационных (ОПМН-К) и низконапорных обратноосмотических (ESPA) мембран при получении воды питьевого качества из различных подземных источников. В зависимости от жесткости, щелочности, рН и солесодержания исходной воды, а также величины выхода фильтрата по табл. 2 можно определить: показатели качества очищенной воды и их изменение с течением времени, расход реагентов на дозирование в исходную воду и на химические промывки. Как видно из табл. 1 и 2, для большинства подземных вод использование мембран ОПМН-К (по сравнению с обратноосмотическими мембранами ESPA) дает значительную экономию расходов на сервисные реагенты при получении питьевой воды стабильно высокого качества.

Пример расчета эксплуатационных показателей различных мембран. Необходимо определить оптимальный тип мембран для очистки подземной воды с концентрацией железа 2,5 мг/л, аммония 0,7 мг/л, pH 7,5, жесткостью 9,5 мг-экв/л, щелочностью 5,9 мг-экв/л, общим солесодержанием 1500 мг/л. По табл. 1 выбираем индекс состава воды – В3. По табл. 2 определяем время работы установки до промывки для мембран ESPA и ОПМН-К, показатели качества воды в начале процесса (концентрации ионов железа и аммония), по рис. 6, а – прогноз увеличения в фильтрате ионов NH₄⁺ и Fe²⁺ с течением времени (для величины выхода фильтрата 40%). Пример прогнозирования представлен на рис. 7.

Результаты расчетов показывают, что использование нанофильтрационных мембран для очистки воды данного состава оказывается предпочтительнее вследствие меньших эксплуатационных затрат (отсутствие ингибитора, более длительный период между промывками).

При определении экономического эффекта от применения нанофильтрационных мембран использовались результаты расчета эксплуатационных затрат и выбора их оптимального значения.

Ниже представлен пример определения эксплуатационных затрат для системы обработки подземных вод (одновременного снижения жесткости, содержания железа и фторидов) производительностью 25 м³/ч, смонтированной в блок-боксе (рис. 8).

Система предназначена для очистки подземной воды для питьевого водоснабжения предприятия «Озон» г. Балаково. Расчеты приведенных затрат и величина экономического эффекта для выбранного метода очистки воды и типа мембран представлены в табл. 3 и 4. Расчеты проводились для альтернативной системы обезжелезивания и натрий-катионирования, а также для обратноосмотических мембран ESPA и нанофильтрационных мембран ОПМН-К. Расчеты расходов реагентов для эксплуатации мембранных установок и обоснование выбора их доз, а также расчеты скорости осадкообразования и прогнозирования «проскока» различных ионов в фильтрат были выполнены аналогично описанному выше примеру.

Сначала были проведены расчеты по выбору оптимального типа мембран для очистки (табл. 3), далее – расчеты экономического эффекта от применения мембран ОПМН-К в сравнении с традиционной схемой умягчения и обезжелезивания (табл. 4). Эксплуатационные затраты установки нанофильтрации были выбраны для величины выхода фильтрата 33–75%. Зависимость эксплуатационных затрат от величины выхода фильтрата для различных мембран представлена на рис. 9.

Выводы

Нанофильтрационные мембраны ОПМН-К значительно меньше предрасположены к образованию на них осадков малорастворимых в воде солей (карбоната кальция и других) по сравнению с мембранами низконапорного обратного осмоса ESPA и их аналогов.
Использование нанофильтрационных мембран типа ОПМН-К производства ОАО «Владипор» в системах подготовки питьевой воды позволяет значительно сократить расходы на эксплуатацию мембранных установок благодаря продлению времени их работы до проведения химических промывок, а также сокращению расходов ингибиторов осадкообразования и моющих реагентов.
Использование разработанных рекомендаций особенно актуально в настоящее время, поскольку ОАО «Владипор» совместно с корпорацией «Роснано» приступили к осуществлению проекта «Русские мембраны», предусматривающего производство и широкое внедрение нанофильтрационных мембран ОПМН-К в практику питьевого водоснабжения.

Список цитируемой литературы

Первов А. Г., Ефремов Р. В., Рудакова Г. Я. Прогноз показателей работы нанофильтрационных мембран и выбор оптимальных доз реагентов при эксплуатации мембранных установок для получения питьевой воды": Сб. докладов "ЭКВАТЭК-2008". - М., 2008.
Первов А. Г., Кондратьев В. В., Спицов Д. В., Андрианов А. П. Разработка компьютерной программы для использования нанофильтрационных мембран марки CSM (SAEHAN) для получения питьевой и технической воды // Критические технологии. Мембраны. 2008. № 1 (37).
Первов А. Г., Макаров Р. И., Андрианов А. П., Ефремов Р. В. Мембраны: новые перспективы освоения рынка питьевой воды // Водоснабжение и сан. техника. 2002. № 10.
Pervov A. G. Scale Formation Prognosis and Cleaning Schedules in RO Systems Operation // Desalination. 1991. V. 83.
Первов А. Г., Ефремов Р. В., Андрианов А. П., Макаров Р. И. Оптимизация использования процесса нанофильтрации при подготовке воды питьевого качества // Мембраны. 2004. № 3 (23).
Первов А. Г., Рудакова Г. Я., Ефремов Р. В. Разработка программ для технологического расчета систем обратного осмоса и нанофильтрации с использованием реагентов "Аминат" // Водоснабжение и сан. техника. 2009. № 7.