Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.23.04- “Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов”

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ОПТИМИЗАЦИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОЦЕССА НАНОФИЛЬТРАЦИИ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

Ефремов Роман Владимирович

Москва - 2011 г.

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Первов Алексей Германович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Алексеев Леонид Сергеевич

кандидат технических наук Аскерния Афрасияб Абдулла оглы

Ведущая организация: ОАО “Союзводоканалпроект”

Защита состоится “___” ________ 2011 года в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.10 при ФГБОУ ВПО “Московский государственный строительный университет” по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, 26, ауд. _____.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО “Московский государственный строительный университет”.

Автореферат разослан “___” октября 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Орлов В. А.

Общая характеристика работы

Мембранные методы очистки воды - нанофильтрация и обратный осмос - имеют большие перспективы в области питьевого водоснабжения, поскольку позволяют одновременно и эффективно удалять из воды различные загрязнения: нитраты, аммоний, фториды, бор, стронций, мышьяк и др.

Мембранные методы используются в водоподготовке достаточно давно, но в основном их применение ограничивается промышленным водоснабжением при производстве умягченной и обессоленной технологической воды.

Это связано в первую очередь с тем, что мембранные методы до сих пор являются достаточно дорогостоящими как с точки зрения капитальных, так и эксплуатационных затрат. Кроме того, санитарные органы часто высказывают претензии к составу очищенной мембранами воды: обратноосмотические мембраны эффективно задерживают ионы всех солей, делая таким образом очищенную воду “слишком” обессоленной, не содержащей жизненно важных компонентов (кальция, фтора и т. д.).

Несмотря на эти недостатки, мембраны обладают бесспорным эффектом в задержании различных растворенных загрязнений. Поэтому задачей современных исследований, в том числе проведенных автором, стала разработка более дешевых, эффективных и надежных технологий подготовки питьевой воды с применением мембран. Необходимость совершенствования существующих мембранных технологий с целью упрощения технологических схем, уменьшения эксплуатационных затрат и достижения оптимального состава очищенной воды, составляет актуальность настоящей работы.

На протяжении ряда лет на кафедре Водоснабжения МГСУ и лаборатории улучшения качества воды НИИ ВОДГЕО велись исследования, позволяющие в зависимости от состава исходной воды подобрать эффективную технологию очистки, тип мембран и условия их работы.

Целью настоящей работы явилось решение актуальных задач для совершенствования мембранных технологий:

1. Исследование возможности “управления” составом очищенной воды, получения заданного эффекта очистки, подбор нужных типов мембран, определения условий их работы (величин давления, выхода фильтрата), а также прогнозирование многокомпонентных составов очищенной мембранами воды.

2. Разработка программы прогноза качества воды очищенной с помощью мембран, которая учитывала бы ухудшение ее качества с течением времени вследствие загрязнения мембран осадками (в частности, карбоната кальция). Такой прогноз необходим для определения времени работы установки до “проскока” в фильтрат нежелательных загрязнений - железа, бора, фторидов, аммония и др.

3. Совершенствование технологии мембранной очистки, в частности, предотвращение образования осадков малорастворимых в воде солей карбоната кальция с помощью дозирования в исходную воду ингибиторов. Для чего были проведены испытания дозирующих устройств (патронов-дозаторов) и экспериментальная оценка эффективности новых ингибиторов.

Описанные задачи были поставлены в практике отечественного водоснабжения впервые. Для их решения были специально разработаны и усовершенствованы экспериментальные методики оценки интенсивности осадкообразования на мембранах и методы обработки экспериментальных результатов. Полученные результаты позволили разработать рекомендации и программы для технологического расчета установок и их эксплуатации.

Методические подходы к решению поставленных задач, полученные данные и разработанные рекомендации, составляют научную новизну представляемой работы. вода загрязнение очистка осадок

Научная новизна определяется следующими положениями:

- разработана экспериментальная методика прогноза состава очищенной воды, позволяющая определить концентрации ионов; Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, SO₄^2-, Cl^-, HCO₃^-, а также ионов Fe²⁺ и F^-;

- разработана программа прогноза изменения состава очищенной воды (концентраций различных ионов) с течением времени вследствие осадкообразования на мембранах;

- в качестве критерия работы мембранной установки и определения максимального периода времени ее работы до остановки для обслуживания предложено выбирать не снижение производительности мембран на 20-30% (как принято в современной практике), а ухудшение показателей очищенной воды (“проскок” ионов Fe²⁺ или F^-);

- на примере технологических расчетов в соответствии с разработанной автором программой показано как от выбора различных типов мембран зависят технологические параметры установок (время “проскока” загрязнений) и эксплуатационные затраты.

Достоверность полученных результатов подтверждается опытом работы более 200 систем подготовки питьевой воды из подземных водоисточников с применением мембран. Методики проведения экспериментов опубликованы и опробованы для решения различных практических задач, определения составов очищенной воды и оценки эффективности различных мероприятий по предотвращению осадкообразования на мембранах.

На основании полученных результатов составлены программы, используемые для технологического расчета установок и оптимизации подбора мембран и рабочих условий эксплуатации систем. Одним из главных результатов представляемой работы является подбор мембран не только по технологическому принципу, (т.е. для достижения эффекта очистки и предотвращения отложений), но и на основе определения времени работы установки до “проскока” загрязнений, что позволяет значительно продлить время фильтроцикла (времени работы до проведения химических регенераций) и сократить затраты на реагенты (ингибиторы и моющие растворы) при сохранении требуемого качества воды в течение всего периода работы установки. Такой методический подход позволяет получить очищенную воду заданного качества при одновременной экономии эксплуатационных затрат, это определяет практическую ценность настоящей работы.

Обоснованность предлагаемых технологических решений подтверждается результатами лабораторных и пилотных исследований, а также опытом работы мембранных установок на ряде промышленных объектов.

Апробация работы и публикации

Основные результаты данной работы были доложены:

- на VI традиционной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов. Строительство - формирование среды жизнедеятельности. Москва 21-22 мая 2003 г.

- на конференции “Опреснение и охрана окружающей среды”, Мальта, 4-8 мая 2003г.

- на всероссийской научной конференции “Мембраны-2004” Москва, 4-8 октября 2004г.

- на VII Международном форуме “Живая вода России-2006” Москва, 14-17 февраля 2006г.

- на VII Международном конгрессе “Вода: экология и технология” Москва, 30мая - 2 июня, 2006г.

- на VIII Международном конгрессе “Вода: экология и технология” Москва, 3 - 6 июня 2008г.

По теме выполненных исследований опубликовано 15 работ, в том числе 4 статьи в журнале, рекомендованном ВАК.

Реализация результатов исследований

В результате работы разработаны “Рекомендации по применению нанофильтрационных мембран ОПМН для получения воды питьевого качества и расчета эксплуатационных показателей установок”, использованные ЗАО “Владипор” г. Владимир при реализации мембранных аппаратов нанофильтрации и обратного осмоса.

На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по прогнозированию состава воды, очищенной с помощью нанофильтрационных мембран ОПМН-К;

- рекомендации по выбору двухступенчатой схемы очистки подземной воды от бора, разработанные на основе выполненных автором экспериментальных исследований, использованные при разработке проекта и внедрения станции подготовки питьевой воды для месторождения Нижнее Хальчую города Нарьян-Мар;

- разработанная методика прогнозирования изменения состава очищенной воды с течением времени;

- методика подбора оптимальных условий работы мембранных установок при очистке воды от ионов бора;

- экспериментальная методика оценки эффективности ингибиторов в сухом виде;

- разработанные “Рекомендации по применению нанофильтрационных мембран ОПМН для получения воды питьевого качества и расчета эксплуатационных показателей установок”.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, приложения. 60 иллюстраций и 13 таблиц. Библиография включает 98 источников. Общий объем диссертации составляет 172 страницы.

Содержание работы

Во введении отмечается, что эффективность решения проблемы загрязнения окружающей среды зависит от разработки и внедрения новых “экологически чистых” технологий водоподготовки, в частности, мембранных.

Традиционные методы очистки питьевой воды - коагуляция с отстаиванием, последующим фильтрованием и обеззараживание хлором предназначены, в основном, для удаления взвешенных и коллоидных веществ и часто оказываются бессильны в отношении истинно растворенных веществ, минеральных солей и продуктов антропогенного воздействия (хлорорганических соединений, ПАВов, аммония, нитратов и т. д.). В некоторых случаях повышение эффективности очистки воды на традиционных сооружениях достигается включением в существующую технологическую схему дополнительных и дорогостоящих способов очистки, таких как озонирование и сорбция на активном угле, незначительно улучшающих качество обработанной воды и практически не меняющих ее микроэлементный и солевой состав.

В первой главе описаны современные тенденции в использовании нанофильтрационных и обратноосмотических мембран в питьевом водоснабжении, в частности представлена область применения нанофильтрационных установок подготовки питьевой воды и описаны основные проблемы, связанные с применением нанофильтрации. Описана эффективность использования мембран при очистке воды от ионов железа, фтора, аммония, бора и брома. Рассмотрены возможности очистки воды от органических веществ и процессы осадкообразования на мембранах. Описаны существующие индексы загрязнения (Индекс SDI, Модифицированный индекс загрязнения, Индекс Ланжелье, Индексы контроля биологического загрязнения) и отмечены их недостатки.

Отмечается, что особую важность представляют вопросы прогноза качества воды, получаемого с помощью мембран, и умение подобрать мембраны с заданными свойствами для обеспечения требуемого качества очищенной воды.

Рис. 1. Схема образования примембранного слоя при разделении трехкомпонентного раствора.

Теоретическое описание зависимостей селективностей обратноосмотических и нанофильтрационных мембран по различным ионам представляет сложную задачу. На рис. 1 показана иллюстрация модели переноса через мембрану ионов Na⁺, Cl^- и SO₄^2-, составляющих модельный раствор (смесь NaCl и Na₂SO₄). Обычно, теоретический подход к прогнозу качества фильтрата у ряда исследователей основан на применении уравнения Нернста-Бланка с учетом влияния заряда иона и концентрационной поляризации:

(1)

где:

J - поток вещества через мембрану, моль/час

D_i,? - коэффициент диффузии иона i в растворе;

C_i - концентрация в растворе, моль/м3;

z _i- валентность;

F - число Фарадея;

Дш - разность потенциалов, В.

х - расстояние от поверхности мембран, м.

Как отмечается в обзоре, моделирование многокомпонентного состава фильтрата должно учитывать образование осадка на поверхности мембраны и должно быть дополнено эмпирическими зависимостями, учитывающими сложность состава природных вод и специфику конструкции мембранных аппаратов.

Автором настоящей работы предпринята попытка построить прогноз состава фильтрата мембранных установок и учесть его изменение в процессе их эксплуатации на основании экспериментально полученных зависимостей.

Во второй главе приводятся полученные автором новые экспериментальные данные, позволяющие прогнозировать качество фильтрата мембранных (нанофильтрационных и обратноосмотических) установок не только по основным шести компонентам (ионам Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, SO₄^2-, HCO₃^-, Cl^-), но и по ряду других компонентов (ионам железа, фторид-ионам и др.), представляющим опасность для здоровья людей.

Эксперименты по изучению селективных свойств нанофильтрационных мембран проводились на лабораторной установке, показанной на рис 2.

Исходная вода помещается в бак 1, откуда насосом 2 подается в мембранный нанофильтрационный аппарат 3 (использовался аппарат типа 1812 с мембранами ОПМН). Фильтрат направляется в бак 4, а концентрат возвращается в бак 1. Рабочее давление устанавливается краном 6. В процессе экспериментов производится отбор проб очищенной воды из бака 4 и концентрата из бака 1.

В зависимости от количества воды в баке 4 устанавливается величина выхода фильтрата (соотношение между расходом фильтрата и концентрата), или кратность объемного концентрирования. Чем больше величина выхода фильтрата, тем больше значение концентрации солей в фильтрате.

Эксперименты проводились 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 в концентрациях 5 и 10 мг-экв/л.

а)

Рис. 2. Схема лабораторной мембранной установки а) для работы в режиме циркуляции, б) в поточном режиме:

1 - бак исходной воды, 2 - насос, 3 - нанофильтрационный аппарат, 4 - бак сбора фильтрата, 5 - манометр, 6 - вентиль регулировки давления, 7 - термостат.

На рис. 3 представлены примеры определения зависимостей концентраций ионов F^- в фильтрате от кратности объемного концентрирования исходной воды в аппарате и концентраций этих ионов в исходной воде.

Рис. 3. Пример определения зависимостей концентраций ионов F^- в фильтрате от кратности концентрирования исходной воды в нанофильтрационном аппарате в зависимости от состава воды и концентрации: а) концентрация ионов F^- -2мг/л б) концентрация ионов F^- -5мг/л .

Для оценки влияния осадка карбоната кальция на работу нанофильтрационных и обратноосмотических мембран использовался ниже описанный подход. Сначала проводились сравнительные ресурсные испытания элементов (типа 1812) с нанофильтрационными и обратноосмотическими мембранами ОПМН на воде московского водопровода. Результаты этих испытаний, проводившихся в течение 1000 часов, представлены на рис. 4.

Рис. 4. Результаты ресурсных испытаний нанофильтрационного аппарата на воде московского водопровода:

а) снижение производительности со временем;

б) увеличение электропроводности фильтрата.

В процессе ресурсных испытаний мембранных элементов на воде московского водопровода через определенные промежутки времени (300, 600 и 900 часов непрерывной работы) определялись скорости образования осадка карбоната кальция в элементе в соответствии с методикой, описанной в гл. 2 диссертации.

В проведенных автором экспериментах определение скоростей осадкообразования и показателей качества очищенной воды для разных составов исходной воды происходило одновременно в течение ресурсных испытаний через 300, 600 и 900 часов.

На рис. 5, в качестве примера показаны, зависимости концентраций различных ионов от кратности концентрирования, полученные на разных стадиях образования осадка в рулонном элементе типа 1812 (при количествах осадка 3000, 4800 и 6000 мг-экв/м² мембранной поверхности).



Рис. 5. Пример прогнозирования увеличения концентраций ионов F^- в фильтрате при разных кратностях концентрирования:

а) в зависимости от массы осадка;

б) с течением времени.

Методика прогноза изменения селективности мембран в процессе их работы состоит в следующих операциях:

Для каждого состава исходной воды определить интенсивность осадкообразования (получить зависимость скорости осадкообразования от кратности концентрирования).

Для заданных условий эксплуатации (выбранные кратности концентрирования и соответствующей ей скорости осадкообразования) получить зависимость количества осадка от времени работы установки.

На основании полученных зависимостей концентраций различных ионов в фильтрате от кратности концентрирования, построить зависимость концентраций этих ионов от количества накопленного осадка для выбранного значения кратности концентрирования (рис. 5).

В третьей главе проведено изучение эффективности применения новых типов ингибирующих веществ.

При разработке недорогих систем подготовки питьевой воды (производительностью 0,5-1,0 м³/час и менее) становится очевидным, что наличие в ее схеме блока дозирования как по стоимости, так и по сложности установки, не отвечает поставленным целям - разработать системы с минимальным потреблением реагентов.

Для упрощения и удешевления сервиса мембранных установок представляется эффективным и перспективным применение мембранных элементов, фильтров предочистки, дозаторов, ингибитора в виде сменных картриджей.

Автором проведены исследования по разработке систем дозирования твердого ингибитора по испытаниям эффективности его растворения в дозаторах специальных конструкций, а также по сравнительной оценке ингибирующих свойств.

Применение ингибиторов в “сухом” виде имеет огромное преимущество по сравнению с жидкими ингибиторами благодаря отказу от дозирующего оборудования.

В работе представлены результаты испытаний новых разработанных ингибиторов в сухом виде и простых дозирующих устройств для них, убедительно демонстрирующие эффективность и надежность работы. Испытанные порошкообразные ингибиторы обеспечивают снижение скоростей осадкообразования карбоната кальция в 10-20 раз, как и лучший отечественный жидкий ингибитор “Аминат” (производство НПО “Траверс”)

В четвертой главе исследовались возможности удаления бора и брома из воды Каспийского моря и из подземной высокоминерализованной воды в районе города Нарьян-Мар.

Повышенные содержания этих компонентов в поверхностных и подземных водах встречаются крайне редко. Однако в морской воде содержание бора составляет 5-10 мг/литр, а брома- 2-5 мг/литр, то есть имеет место превышение в 10-20 раз по сравнению с нормативными показателями. Часто встречаются подземные воды в прибрежных зонах с интрузией морской воды и повышенным содержание бора и брома.

Селективность обратноосмотических мембран по бору возрастает при повышении значения рН обрабатываемой воды. Для увеличения селективности мембран по бору часто используется увеличение рН исходной воды (подщелачивание с добавлением извести или щелочи). Однако такое подщелачивание может оказаться “опасным” для мембранных установок с точки зрения интенсивного образования осадка CaСO₃ на мембранах. Поэтому технология обработки морских и подземных вод, содержащих бор, должна учитывать одновременно и мероприятия по предотвращению осадкообразования.

Задачей экспериментальных исследований, проведенных автором, стал подбор оптимальных типов мембран и режимов их работы.

На рис. 6 представлены значения концентраций бора на разных ступенях опреснения.



а) б)

Рис. 6. Зависимость концентрации бора в фильтрате I (а) и II (б) ступени от кратности объемного концентрирования: 1 - исходная вода; 2 - исходная вода + NаОН (рН = 9,1); фильтрат II ступени; 4 - фильтрат II ступени после добавления в исходную воду NaOH (рН = 9,1); 5 - фильтрат II ступени (рН = 10,4).

В пятой главе представлены примеры использования разработанных автором рекомендаций для выбора оптимальных типов мембран и режимов работы установок для разных случаев подготовки питьевой воды из подземных водоисточников. Рассмотрены примеры использования разработанных автором рекомендаций при внедрении мембранных систем для очистки воды с высокой цветностью (г. Пыть-Ях), с высоким содержанием бора (Нарьян-Мар), с высоким содержанием фтора и железа (г. Балаково) и другие случаи.

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

Для определения оптимального эксплуатационного режима сначала необходимо идентифицировать состав исходной воды в соответствии с таблицей 1. Индексы определяются, исходя из концентраций кальция и бикарбонат-ионов, значения рН и общего солесодержания по буквенным символам. Оптимальный эксплуатационный режим определяется по таблице 2, составленной на основе значений индексов таблицы 1. Интервалы между промывками рассчитаны, исходя из значений скоростей осадкообразования в мембранных рулонных модулях при значениях кратности объемного концентрирования в аппаратах 1,7 и 2,5 (соответственно при значениях выхода фильтрата 40% и 60%).

Данные расчеты составлены для мембранных установок, работающих с использованием ингибиторов АМИНАТ, доза которого составляет - 1 мг/л, и мембран типа ОПМН (производства ЗАО “Владипор”). В ряде случаев мембраны могут работать и без применения ингибиторов.

Использование данных таблицы 2 позволяет дать наглядное сравнение работы нанофильтрационных (ОПМН) и низконапорных обратноосмотических мембран (типа ESPA) при получении воды питьевого качества из подземных источников различного состава. В зависимости от жесткости, щелочности, рН и солесодержания исходной воды, а также величины выхода фильтрата, пользуясь таблицей 2 и рис. 7 можно определить показатели качества очищенной воды и их изменение с течением времени в процессе работы установки, расход реагентов на дозирование в исходную воду и на химические промывки. В автореферате данные таблицы 2 и рис. 7 приведены в сокращенном виде. Для большинства составов подземных вод использование мембран ОПМН (по сравнению с ESPA) дает значительную экономию расходов на сервисные реагенты при стабильном получении питьевой воды высокого качества.

Таблица 1. Идентификация состава исходной воды.

pH	Общее солесодержание Мг/л	Щелочность, мг-экв/л	№ строки
		4-6	6-8
		Кальций, мг-экв/л
		4-6	6-8	8-10	6-8	8-10
7,2-7,7	500-800	А1	Б1	В1	Г1	Д1	1
	800-1200	А2	Б2	В2	Г2	Д2	2
	1200-1800	А3	Б3	В3	Г3	Д3	3
7,8-8,4	500-800	А4	Б4	В4	Г4	Д4	4
	800-1200	А5	Б5	В5	Г5	Д5	5
	1200-1800	А6	Б6	В6	Г6	Д6	6
№ столбца	А	Б	В	Г	Д

мембраны ESPA мембраны ОПМН

для значений индексов; А2, А3, А6, В3, В6.

Рис. 7. Прогноз увеличения концентрации различных ионов в фильтрате в процессе работы установки (с использованием мембран ОПМН “Владипор” и ESPA “Hydranautics”)

Для примера ниже приведено определение оптимального типа мембран и прогноза их показателей для случая очистки подземной воды с концентрацией железа - 2,5 мг/л, аммония - 0,7 мг/л, жесткости - 9,5 мг-экв/л, щелочности - 5,9 мг-экв/л, и с общим солесодержанием - 1500 мг/л.

1. Выбираем по таблице 1 индекс состава воды (В - 3).

2. По таблице 2 определяем время работы установки до промывки для мембран ESPA и ОПМН и показатели качества воды в начале процесса (концентрации ионов железа и аммония). По рис. 7 определяем прогноз увеличения в фильтрате ионов NH₄⁺ и Fe²⁺ с течением времени (прогноз ведем для величины выхода фильтрата 40%). Пример прогноза показан на рис. 8.

Таблица 2.

Индекс состав воды	Рекомендуемый интервал между промывками	Селективность по ионам, % (в начале процесса), К=1,7/К=2,5
	K= 1,7 (б=0,4)	K= 2,5 (б=0,6)	Са2+	Fe2+	F-	NH4+
	Мембраны ESPA
А1 А2 А3	600 1000 1500	400 800 1200	96/94 95/93 93/92	96/94 95/93 93/92	92/89 90/88 88/85	92/89 90/88 88/85
Б1 Б2 Б3	500 800 1200	400 500 1500	96/94 95/93 93/92	96/94 95/93 93/92	92/89 90/88 88/85	92/89 90/88 88/85
В1 В2 В3	400 900 1200	-- 400 800	96/94 95/93 93/92	96/94 95/93 93/92	92/89 90/88 88/85	92/89 90/88 88/85
	Мембраны ОПМН
А1 А2 А3	1000* 1500* 2000*	750 1000 1200*	92/86 91/85 89/84	92/86 91/85 89/84	80/72 78/71 76/70	80/72 78/71 76/70
Б1 Б2 Б3	500* 800* 1200*	600 800 1200	92,5/87 92/86 90/85	92,5/87 92/86 90/85	80/72 78/71 76/70	80/72 78/71 76/70
В1 В2 В3	600 800* 1100*	400 900 1200	93/88 92,5/87 91/85	93/88 92,5/87 91/85	80/72 78/71 76/70	80/72 78/71 76/70

*- Отмечены случаи, когда скорость осадкообразования имеет низкое значение и дозирование ингибитора не требуется. (во всех остальных случаях используется дозирование ингибитора АМИНАТ-К (доза 10 мл/м³))

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

Пример определения эксплуатационных затрат для системы обработки подземных вод (одновременного снижения жесткости, содержания железа и фторидов) производительностью 25 м³/час, смонтированной в блок-боксе, представлен в таблице 3.

Эксплуатационные затраты установки нанофильтрации были выбраны по данным таблиц 1,2 и рис. 7 для случая выхода фильтрата 60-70%.

Рис. 8. Зависимость концентраций ионов аммония и железа в фильтрате мембранных установок от времени работы. а - с обратноосмотическими мембранами; б - с нанофильтрационными мембранами; 1 - допустимое содержание Fe²⁺; 2 - допустимое содержание NH₄⁺; 3 - время работы до промывки.

Расчеты с использованием разработанной методики показывают как выбор оптимальных типов мембран позволяет снизить эксплуатационные затраты на подготовку питьевой воды.

Таблица 3. Расчеты эксплуатационных затрат установки 25м³/час. Предприятия “Озон” г. Балаково.

Выход фильтрата	33%	50%	75%
Тип мембран	ОО (ESPA)	НФ (ОПМН)	ОО (ESPA)	НФ (ОПМН)	ОО (ESPA)	НФ (ОПМН)
Исх. объем воды/объем фильтрата	3/1	3/1	2/1	2/1	1.32/1	1.32/1
Электроэнергия, КВт/год Руб/год	90000 180000	90000 180000	66000 132000	66000 132000	66000 132000	66000 132000
Реагенты для промывки, Кг/год Руб/год	400 80000	200 40000	600 120000	300 60000	1000 200000	500 100000
Ингибитор (в сухом виде), Кг/год	360 144000	__	240 96000	__	156 62400	__
Годовые эксплуатационные затраты, руб/год	404000	220000	348000	192000	394400	232000
Капитальные затраты, руб.	1300000	1360000	1300000	1360000	1300000	1360000

Общие выводы

1. В современных условиях при проектировании систем питьевого водоснабжения для очистки подземных вод от жесткости, железа, фторидов, нитратов, аммония и т. д., целесообразно использовать методы нанофильтрации и обратного осмоса. При этом эксплуатационные затраты на очистку воды оказываются значительно (в 2-3 раза) ниже, чем при использовании других традиционных методов (коагуляция, сорбция, обеззараживание), благодаря отсутствию реагентов и расходных материалов.

2. Результаты проведенных исследований дают возможность определить значения концентраций ионов Fe²⁺, NH₄⁺, F^-, Ca²⁺ в очищенной воде в зависимости от химического состава исходной воды и условий работы мембран (величин рабочего давления и выхода фильтрата).

3. Установлено, что на скорость роста осадка на мембранах влияют: их тип, состав воды, режим работы аппаратов (давление выхода фильтрата). При использовании нанофильтрационных мембран процессы осадкообразования идут в 2-3 раза медленнее, чем при использовании обратноосмотических мембран, что позволяет сократить затраты на предварительную очистку и мероприятия по предотвращению осадкообразования более чем на 50-70%.

4. Экспериментально показано, что при образовании на мембранах осадка карбоната кальция падает производительность мембран на 30-70% и одновременно ухудшается качество фильтрата, при этом в 2-3 раза увеличивается концентрация солей и других удаляемых ионов. В работе экспериментально получены данные, позволяющие определить изменения концентраций различных ионов в фильтрате и предотвратить превышения норм СанПиН 2.1.41074-01.

5. Как показали экспериментальные исследования, аппараты с нанофильтрационными мембранами (типа ОПМН-К) подвержены осадкообразованию в меньшей степени, чем обратноосмотические мембраны, “проскок” по ряду загрязнений при использовании мембран ОПМН наступает позднее, чем у мембран обратного осмоса (что соответствует увеличению срока работы установки до промывок в 2-3 раза). Благодаря этому удается сократить годовое потребление моющих реагентов для обслуживания нанофильтрационных установок на 50-90% по сравнению с обратноосмотическими установками.

6. Результаты проведенных исследований по очистке воды от бора позволили предложить эффективную технологию очистки боросодержащих вод. Применение безреагентной технологии обратного осмоса по двухступенчатой схеме для удаления бора из воды повышает экономический эффект по сравнению с технологией ионного обмена на уровне 180520 руб/год для выбранного объекта (станции очистки подземной воды производительностью 100 м³/сут).

7. Использование разработанной автором методики выбора оптимальных типов мембран и условий их работы (исходя из условий минимизации осадкообразования на мембранах) позволяет получить дополнительный экономический эффект на уровне 300000 руб/год (для установки производительностью 500 м³/сут) благодаря снижению эксплуатационных затрат технологии обратного осмоса (за счет применения низконапорных мембран и снижения затрат на предотвращение осадкообразования).

8. На основании проведенных работ предложены типы ингибиторов в сухом виде и технология их дозирования с помощью специальных патронов - дозаторов. Установлено, что применение ингибиторов в “сухом” виде имеет преимущество по сравнению с традиционными “жидкими” ингибиторами (в виде 20-30% раствора) благодаря отказу от дорогостоящего оборудования и сокращению расходов на закупку, транспортировку и хранение реагентов. Для установки производительностью 1000 л/час (до 24 м³/сут) затраты на оборудование сокращаются на 15000-25000 рублей, а затраты на применение ингибитора - на 12000-16000 рублей.

9. Результаты работы внедрены на ряде объектов питьевого водоснабжения, использующих нанофильтрационные мембраны типа ОПМН (производства ЗАО “Владипор”) для обработки подземных вод с высоким содержанием железа, жесткости, фторидов, аммония, а также при подготовке питьевой воды для вахтового поселка Нижнее Хальчую из подземной минерализованной воды с высоким содержанием бора.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Ефремов Р. В. Применение нанофильтрационных технологий для очистки поверхностных и подземных вод // VI традиционная (Первая международная) научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов. Строительство - формирование среды жизнедеятельности. Материалы конференции. Книга 1. Москва 21-22 мая 2003 г. стр. 123-127.

2.* Первов А. Г., Макаров Р. И., Андрианов А. П., Ефремов Р. В. Мембраны: новые перспективы освоения рынка питьевой воды // Водоснабжение и санитарная техника. 2002г. №10.

3. Pervov A. G., Efremov R. V., Andrianov A. P. A new solution for Caspian Sea desalination: low pressure membranes. // Desalination 157, 2003.

4. Первов А. Г., Ефремов Р. В., Андрианов А. П. Мембранные технологии в системах централизованного водоснабжения. // Очистка и кондиционирование природных вод. Сборник научных трудов ВОДГЕО. Вып. 5. Москва 2004г. Стр. 33-41.

5. Первов А. Г., Мотовилова Н. Б., Ефремов Р. В., Андрианов А. П. Разработка систем очистки цветных вод северных районов на основе технологий нанофильтрации и ультрафильтрации. // Очистка и кондиционирование природных вод. Сборник научных трудов ВОДГЕО. Вып. 5. Москва 2004г. Стр. 99-107.

6. Первов А. Г., Ефремов Р. В., Макаров Р. И., Андрианов А. П. Оптимизация использования процесса нанофильтрации при подготовке воды питьевого качества. // Критические технологии. Мембраны. 2004г. №3 (23).

7. Первов А. Г., Ефремов Р. В., Макаров Р. И. Разработка компьютерной программы для оптимизации работы установок нанофильтрации при получении качественной питьевой воды. // Всеросийская научная конференция “МЕМБРАНЫ-2004”, 4-8 октября 2004г. Москва. Тезисы докладов.

8. Первов А. Г., Ефремов Р. В., Козлова Ю. В., Андрианов А. П. Новые тенденции в разработке современных нанофильтрационных систем для подготовки питьевой воды высокого качества: обзор. // Критические технологии. Мембраны. 2005г. №1 (25).

9. Первов А. Г., Ефремов Р. В., Козлова Ю. В., Андрианов А. П. Область применения и опыт внедрения мембранной технологии в локальных системах. // VII Международный форум “Живая вода России-2006”, Научно практическая конференция “Вода и напитки”, Москва, ВВЦ павильон №20, 14-17 февраля 2006г.

10. Первов А. Г., Козлова Ю. В., Ефремов Р. В., Андрианов А. П. Опыт внедрения мембранной технологии водоподготовки. // VII Международный конгресс “Вода: экология и технология” - “ЭКВАТЭК-2006”, Москва, 30 мая- 2 июня, 2006. Тезисы докладов.

11. 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. // VIII Международный конгресс “Вода: экология и технология” - “ЭКВАТЭК-2008”, Москва, 3 - 6 июня, 2008. Тезисы докладов.

12.* Первов А. Г., Андрианов А. П., Юрчевский Е. Б., Спицов Д. В., Козлова Ю. В., Ефремов Р. В., Рудакова Л. В. Водоочистные установки в контейнерном исполнении для водоснабжения вахтовых поселков. // Водоснабжение и санитарная техника 2009. №7 с. 40.

13.* 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 санитарная техника 2009. №7 с. 21.

14.* Ефремов Р. В., Первов А. Г. Применение нанофильтрационных мембран ОПМН-К для получения питьевой воды и расчет эксплуатационных показателей установок. // Водоснабжение и санитарная техника 2010. №7 с. 24-31.

15. Ефремов Р. В., Первов А. Г. Технологии применения питьевой воды высокого качества с помощью нанофильтрации: условия эксплуатации установок; выбор оптимальных параметров работы мембран. // VI Международный Симпозиум “Экология человека и медико-биологическая безопасность населения. 2010 г. стр. 117.

Размещено на Allbest.ru