Задать вопрос
mail@ncwt.ru (напишите нам)
8 (800) 555-32-60 (звонок по России бесплатный)
8 (343) 201-38-01 (Телефон головного офиса)

Обратный осмос. Нанофильтрация и обессоливание воды

Технология обратноосмотического разделения благодаря своим уникальным возможностям получает все большее распространение в очистке воды и водоподготовки. Применение технологии обратного осмоса позволяет решать огромный спектр задач от банального умягчения, до очистки воды от мельчайших одновалентных ионов солей Лития и Таллия. Наиболее часто, технологию обратноосмотического мембранного разделения используют для:

- Умягчения воды - в большинстве случаев применение мембранных технологий показывает лучшую экономическую эффективность очистки воды в сравнении с ионным обменом. Можно провести некую базисную черту, после которой применение установки обратного осмоса обладает неоспоримым преимуществом, перед ионным обменом – это производительность систему подготовки воды более 5м3/час при жесткости более 7мг.экв/литр. В этом случае, эксплуатационные затраты на применение натрий-катионирования существенно влияют на себестоимость 1м3/час полученной очищенной воды.

- Деминерализации воды или частичное снижения уровня ее солесодержания. В настоящее время обратный осмос, практически, безальтернативен для получения частично обессоленной воды, так как применение методов, связанных с термической дистилляцией сопряжено с существенными энергозатратами (порядка 50-60кВт на 1м3 дистиллята), а применение ионного обмена сопряжено с применение сложной технологической цепочной последовательного извлечения Катионов и Анионов и еще более сложной технологией восстановления емкости ионообменных материалов методами последовательной регенерацией кислотами и щелочами.

- Снижение щелочности воды. Щелочность воды обуславливается наличием в ней щелочных элементов и соединений. Например – гидрокарбонатов. Гидрокарбонаты соединение достаточно крупное по своему размеру, а, следовательно, применение низко-селективных обратноосмотических мембранных элементов позволяет полностью их удалить из воды, при этом, в меньшей степени затрагивая остальные растворенное соли. Учитывая тот факт, что низко-селективные мембранные элементы требую существенно меньшего рабочего давления, то и энергозатраты будут минимальными. На практике, этот показатель составляет от 0,25 до 0,5кВт на получение 1м3 очищенной воды.

- Удаление ионов тяжелых металлов и токсичных микроэлементов, таких как Бор, Литий, Таллий и Мышьяк - технология мембранного обратноосмотического разделения по совокупности оценочных показателей, таких как простота эксплуатации, капитальные затраты на внедрение комплекса очистки воды, эксплуатационные затраты, практически безальтернативна и полностью безальтернативна в том случае, если удаление отдельных компонентов сопряжено еще и с необходимостью коррекции иных минерально-солевых показателей воды, таких как общая минерализация, жесткость и щелочность.

- Концентрирование растворов до нужной плотности – в ряде случаев, когда исходный поток воды содержит в себе существенные превышения токсических элементов, а их сброс в систему канализации невозможен, может потребоваться весьма энергозатратное оборудование для вакуумного выпаривания, в ходе работы которого все растворенные соли, содержащиеся в воде, принимают кристаллическую форму. Для повышения экономической эффективности применения такого оборудования целесообразно уменьшить общий объем исходного потока, для чего лучшим вариантом станет применение установки обратного осмоса, которая позволит наряду с уменьшением общего объема исходного потока увеличить и его плотность, тем самым снизив общее количество потребляемой энергии на кристаллизацию.

- Доочистка хозяйственно - бытовых сточных вод и стоков предприятий, построение замкнутых циклов водооборота. В соответствие с существующим законодательством, а именно, Приказом Госкомитета РФ по рыболовству от 28.04.1999г. №96 «О рыбохозяйственных нормативах», качество вод, сбрасываемых в водоемы рыбохозяйственного назначения существенно превышает нормативы качества воды хозяйственно-питьевого назначения. Таким образом, в большинстве случаев, целесообразно реализовывать такой подход к построению систем водоснабжения и водоотведения, при котором этот сброс был бы минимальным, либо отсутствовал вовсе. Построение замкнутых циклов водооборота на предприятиях позволяет полностью решить такую задачу, решив не только проблему со стоками, но и с обеспечением предприятия водой высокого качества, подходящей как для использования в хозяйственно-бытовых, так и производственных целях.

    

 

 Фото 1. Модульный обратноосмотический комплекс АЙСБЕРГ-RO80000Pro производительностью 80000 литров в час, установленный в парокотельном цехе Игумновской ТЭЦ г. Дзержинск. Комплекс выполняет задачу по снижению общей минерализации воды с целью снижения объема продувных вод паровых котлов.


1.       Теоретические основы метода мембранного разделения.

Основа технологии позаимствована из природы и основана на механизме клеточного обмена, где через клеточную мембрану происходит обмен. Благодаря ему в каждую живую клетку поступают питательные вещества и, наоборот, выводятся остаточные вещества, шлаки и токсины. Именно этот процесс и называется ОСМОСОМ. Обратный осмос – противоположный по своей сути процесс, связанный с принудительным «продавливанием» исходного раствора через полупроницаемую мембрану.

 

Рис.1 Общее изображение принципа мембранной фильтрации на основе процесса обратного осмоса.


Как уже сказано выше, сама по себе мембрана полупроницаема, а степень ее проницаемости (Селективность) определяет глубину очистки воды от растворенных минеральных солей и их соединений.

На практике применяется широкий спектр фильтрующих мембран с диапазоном отсечения растворенных солей и их соединений – от 40 до 99,9%. Выбор конкретных характеристик фильтрующей мембраны зависит от конечной задачи. В большинстве случаев, используются мембраны с селективностью от 98,0 до 99,5%.  Процент селективности определяет степень отсечения растворенных солей в тестовом растворе. В качестве тестового раствора используется вода, содержащая от 500 мг/л до 45 г/л солей соединения NaCl. Считается, что именно такое сочетание солей в воде наиболее показательно и наиболее точно отражает физические характеристики фильтрующей мембраны.

Установки обратного осмоса и обратноосмотические комплексы серии АЙСБЕРГ производства НПП «Национальный центр водных технологий», как и другое мембранное оборудование, работает на принципе мембранного разделения исходного потока воды на чистую воду (Пермеат, или, как еще его называют – Фильтрат) и грязную (Концентрат, или Дренаж). Разделение потока происходит за счет подачи исходной воды на фильтрующую мембрану под давлением.


2.       Характеристики мембранных систем и элементов, структура мембранных элементов

Важно понимать, что характеристики глубины отсечения ионов солей в растворе существенно зависят от их физической величины – так, например, одновалентные ионы солей, имеют существенно меньший размер, нежели их соединения. Отсюда следует тот факт, что, имея, к примеру, относительно низкую эффективность по удалению из воды одновалентных ионов Таллия, Лития или даже соединения Бора, мембрана показывает практически 99%-ю эффективность по удалению из воды гидрокарбонатов, как наиболее крупного соединения. Причем, в ряде случаев, рекомендуется применять как раз наименее селективные мембраны, которые позволяют практически полностью удалить из воды ионы солей жесткости, при этом сохранив достаточно большую составляющую остальных солей.

В установках и комплексах обратного осмоса в качестве основного фильтрующего мембранного элемента выступает полиамидная или ацетат- целлюлозная мембрана, свернутая в фильтрующий модуль – рулонный мембранный элемент.


 мембранные технологии

 мембраны обратного осмоса

 

Рис.2 - Конструкция рулонного мембранного элемента

 

Рис.3 - Стандартные типы рулонных мембранных элементов   


Учитывая массовость распространения технологии мембранного обратноосмотического разделения, производители рулонных мембранных элементов придерживаются единого стандарта производства, унифицируя размеры рулонных мембранных элементов, способы их присоединения, методы определения характеристик и т.п. Практически все существующие мембранные элементы рулонного типа произведены со стандартными размерами 8040, 4040, 4025 и т.п. В этом коде зашифрован фактический физический стандартный размер мембраны в дюймах, что полностью решает вопрос их взаимозаменяемости.


3.       Сильные и слабые стороны технологии.

Сильной стороной технологии мембранного разделения можно назвать высокую эффективность метода по глубине очистки воды и стабильность результата очистки вплоть до полного исчерпания срока службы фильтрующих мембран. Даже в режиме одноступенчатой фильтрации, технология позволяет эффективно производить деминерализацию воды вплоть до 3-5мг/литр по сухому остатку, что многократно сокращает капитальные вложения на построение технологических комплексов водоподготовки в сравнении с технологиями, основанными как на последовательном ионном обмене, так и термических методах. Важно, что в процессе работы, не образуется агрессивных сред, используемых для восстановления емкости ионообменных смол, таких как кислота, щелочи и солевые концентраты с высокой степенью плотности, требующие специальных режимов утилизации.  Концентрат, возникающий в процессе мембранного разделения, представляет собой сконцентрированный состав исходной воды, в большинстве случаев успешно утилизируемый в канализационных сетях муниципальный очистных сооружений

Слабой стороной технологии мембранного разделения является образование сточных вод в объеме от 10 до 60 процентов от исходного объема воды, в зависимости от конкретной технической реализации процесса.  Энерго-затраты при использовании данной технологии составляют 0,3-1,0кВт/1м3 (для вод, с концентрацией солей от 200 до 2000мг/л) и до 2,5кВт/м3 (для соленых воды, с концентрацией растворенных солей до 45000мг/л).   А также высокие требования к соблюдению протекания технологических процессов мембранного разделения, нарушение которых, существенно сокращает ресурс фильтрующих мембран.


4.       Факторы, влияющие на экономическую эффективность технологии обратного осмоса и их компенсация.

В настоящее время наиболее существенным препятствием к подавляющему применению технологии обратного осмоса взамен классических методов водоподготовки, является именно фактор ресурса мембранных элементов, существенно зависящий от особенностей технической реализации протекания технологических процессов. В процессе работы, мембрана подвержена воздействию как коллоидных и механических загрязнений, возникающих вследствие низкого качества подготовки исходной воды, так и процессам осаждения растворенных солей на поверхности мембраны в следствия формирования, так называемой, зоны сверх - концентрации в точке разделения исходного потока на пермеат и концентрат.

Воздействие коллоидных частиц легко устранить за счет надлежащей очистки исходной воды от взвесей, органики и коллоидов, однако, процесс осаждения минеральных солей на мембране требует особого подхода, выраженного в учете и компенсации достижения предела растворимости ионов солей, содержащихся в исходной воде с учетом нарастания концентрирования.

Наиболее эффективными методами по решению этой проблемы является соблюдение ряда требований, таких, как обеспечение требований фильтрующей мембраны к балансу потоков Пермеата/Концентрата, соблюдение оптимальной степени извлечения Пермеата с 1м2 фильтрующей поверхности мембраны, компенсация эффекта старения мембраны в динамике, соблюдение оптимальных промывочных режимов с учетом фактора линейного расширения мембранного полотна и эффекта его «памяти». Очень важно обеспечить соблюдение технологических циклов «работа/пауза/промывка», защиту мембраны от гидроударов и возникновения обратного давления, ведущих к нарушению физической целостности мембранного полотна.  Хороший результат показывает и применение реагентов-ингибиторов, смещающих точку осаждения растворенных солей, однако важно помнить, что применение ингибиторов, хотя и один из важных методов защиты мембран, однако, без соблюдения иных, перечисленных методов обеспечения технологического процесса, его эффективность редко бывает достаточной.

К сожалению, в подавляющем большинстве, производители промышленных установок обратного осмоса и обратноосмотических комплексов, перечисленные выше факторы, учитывают достаточно условно, применяя в качестве основного средства только дозирование ингибиторов минеральных отложений, в то время, как остальные технологические требования работы мембран обеспечиваются лишь в общих чертах, а ответственность за контроль этих параметров возлагается на эксплуатирующий персонал.

Практика последних лет показывает, что в большинстве случаев, эксплуатирующая такие установки организация, не обладает персоналом необходимой квалификации. Отсутствие у персонала знаний и опыта глубокого контроля и отслеживания происходящих во время работы обратноосмотической установки процессов не позволяет получить достаточный результат по эффективности технологии мембранного разделения и существенно увеличивает затраты на эксплуатацию.


5.       Техническая реализация технологии, типы мембранных установок и определение их качества и эффективности.

По техническим подходам к реализации технологии можно выделить два типа мембранных установок и комплексов:

Первый тип - автоматические установки обратного осмоса, работающие по алгоритмическому принципу под управление базовых контроллеров или ПЛК различных марок;

Второй тип - автоматические роботизированные установки и обратноосмотические комплексы, работающие на основе интеллектуальной обратной связи, получаемой от органов управления и датчиков, под управлением промышленных компьютеров и ПЛК (как правило SIEMENS Simatic и LOGO8).

Существует ряд фундаментальных различий между типами этих установок, связанные со  способностью контролировать и управлять протеканием разделительных мембранных процессов в режиме фильтрации, отслеживать и компенсировать изменения свойств входящего потока, отслеживать состояние мембранных элементов и своевременно предупреждать их преждевременное старение и последующий выход из строя, обеспечивать защиту мембран от режимов нештатной эксплуатации, возникающих вследствие формирования на их поверхности коллоидных и минеральных отложений.

Установки первого типа работают по принципу выполнения заложенного в системе управления алгоритма, включающего в себя запуск установки, работу в режиме фильтрации, отключение установки, при наполнении емкости хранения Пермеата и запуск режима промывки установки сразу после цикла фильтрации. На этом возможности автоматической работы установок данного типа исчерпываются. Настройки баланса потоков Пермеата/Концентрата, рецикла Концентрата, цикличность режимов осуществляются вручную, регулировочными кранами, по визуальным показаниям ротаметров, показывающих примерный объем пропускания воды. Контроль за состоянием мембран, корректировка технологических процессов во время фильтрации и системы защиты мембран в таких системах полностью отсутствует, а все эти операции возлагаются на обслуживающий персонал.

 

Фото 2. Классическая установка обратного осмоса первого типа. Логическое управление процессами осуществляется контроллером, управление потоками – в ручном режиме, по показаниям ротаметров. Существует постоянная необходимость контроля над работой установки, состоянием мембран и корректировки рабочих режимов.


Установки второго типа, в отличие от установок первого типа, наоборот, исключают влияние обслуживающего персонала на протекающие технологические процессы. Благодаря, реализованным в них техническим решениям, установки самостоятельно осуществляют контроль за протеканием технологических процессов в режиме фильтрации и постоянно поддерживают идеальные условия работы мембранных элементов.

Так, получая информацию о текущих потоках воды на разных этапах мембранного разделения, такие установки самостоятельно и непрерывно производят балансировку потоков в соответствии с заложенной эталонной технологической картой процесса мембранного разделения, не допуская формирования благоприятной среды для интенсивного образования осадка минеральных солей на поверхности мембран. Системы управления таких установок отслеживают состояние мембранных элементов и информируют оператора о возникновении нештатных ситуаций, с которыми установка самостоятельно справиться не может. В случае, когда корректировка протекающих процессов возможна в автоматическом режиме, установка самостоятельно начнет корректирующие операции вплоть до возвращения к эталонным значениям, в противном случае – предупредит оператора и приостановит процесс фильтрации до ликвидации причины сбоя.

Установка обратного осмоса

Фото 3. Роботизированный обратноосмотический комплекс модульного типа серии АЙСБЕРГ-RO24000Pro/3Д.М8. Комплекс работает полностью в автоматическом режиме, способен самостоятельно обеспечить правильность протекания процессов мембранного разделения, корректировку рабочих режимов и не требует участия оператора. Запущен на территории шахты «Центральная» ОАО «Южуралзолото» в 2014 году.


Благодаря внедренным техническим решениям этот тип установок позволяет добиться двух- и даже трехкратного увеличения ресурса мембранных элементов в сравнении с классическими установками обратного осмоса первого типа. Техническая надежность такого оборудования достигается за счет использования высококлассной элементной базы и органов управления, имеющих возможность самостоятельного принятия решений даже в случае выхода из строя некритических элементов.

Обратная «сторона медали» такой технической реализации – стоимость. Она в среднем на 10-15% выше, чем у установок первого типа, однако если учитывать стоимость фильтрующих мембран и затраты на эксплуатацию, то эта разница полностью нивелируется уже в течение первого года эксплуатации. Такая «математика» уже получила подтверждения на всех объектах, реализованных «НПП Национальный центр водных технологий» за прошедшие несколько лет и позволяет уверенно внедрять технологию в проектах по очистке воды и водоподготовке обеспечивая ее высокую экономическую эффективность.





Назад в раздел