Технологии и оборудование
>Очистка воды обратным осмосом: обессоливание и нанофильтрация
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.
О сути и особенностях самой технологии и ее технической реализации мы специально записали три простых и доступных для понимания ролика. Даже просто посмотрев эти видео, Вы сможете получить представление и об особенностях самой технологии, и нюансах ее реализации.
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.
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.
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.
 |
 |
| 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.
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.
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.
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.
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.
