Тенденции водоподготовки с применением мембранных технологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тенденции водоподготовки с применением мембранных технологий

Андрианов А.П.

Мембранные методы очистки воды (обратный осмос, ультрафильтрация, нанофильтрация) в последнее время стремительно развиваются, расширяются области их применения в водоснабжении - возникло целое направление в очистке поверхностных вод. В частности, в энергетике в схемах водоподготовки необходимы системы предочистки для обработки поверхностных вод и удаления из них взвешенных, коллоидных и органических веществ, образующих цветность и окисляемость. Традиционные схемы очистки воды, включающие сооружения по коагуляции и фильтрованию, успешно вытесняются мембранными установками ультрафильтрации.

Опыт работы систем ультрафильтрации, основные технологические показатели и экономическое обоснование их применения для предварительной очистки перед системами обратного осмоса были представлены авторами в ранее опубликованных работах [1 - 3]. Эффективность применения систем ультрафильтрации подтверждается успешной работой таких установок на ряде объектов: ТЭЦ-9, ТЭЦ-16, ТЭЦ-21 ОАО «Мосэнерго», Новочеркасская ГРЭС, Заинская ГРЭС, Юго-Западная водопроводная станция Москвы, водопроводные станции в Озерске, Яи [4, 5]. Экономический эффект от применения ультрафильтрации в качестве метода предочистки перед системами обратного осмоса заключается в производстве воды очень высокого качества (снижение содержания коллоидных и органических веществ). При этом значительно сокращаются эксплуатационные затраты на предотвращение образования осадков на обратноосмотических мембранах и снижения их производительности (затраты на реагентные промывки, сменные картриджи предочистки и т. д.).

Несмотря на высокую эффективность очистки воды методом ультрафильтрации, следует учитывать, что при использовании этого метода, как и любого мембранного процесса переноса, происходит осадкообразование, поэтому требуются специальные мероприятия по предотвращению загрязнения мембран. К ним относятся: применение реагентов (коагулянтов, флокулянтов, моющих растворов, бактерицидных препаратов); высокие расходы очищенной воды на собственные нужды (для проведения обратных промывок); дополнительные затраты на электроэнергию (при создании режимов рециркуляции). Кроме того, стоимость современных коммерческих аппаратов ультрафильтрации с капиллярными или половолоконными мембранами достаточно высока, капитальные затраты на эти системы сравнимы со стоимостью систем обратного осмоса той же производительности. А учитывая возможность снижения производительности мембран в процессе эксплуатации и значительные эксплуатационные затраты, связанные с ростом расхода воды на собственные нужды, применением реагентов и заменой дефектных мембран, процесс ультрафильтрации по экономическим соображениям может не получить ожидаемого широкого распространения, даже несмотря на его высокую эффективность.

В настоящее время в технологиях очистки поверхностных вод с помощью ультрафильтрационных мембран преобладают схемы с тупиковой фильтрацией, при которых вся вода, поступающая в аппарат, фильтруется через мембрану (рис. 1, а). Образующийся на мембранах осадок коллоидных и взвешенных веществ удаляется с помощью промывок обратным током.

Появление такой технологии для специалистов по ультрафильтрации ста-ло неожиданным: традиционно для очистки растворов, содержащих взвешен-ные вещества, используется тангенциальный режим работы ультрафильтраци-онных аппаратов, при котором поток концентрата с большой скоростью про-пускается над поверхностью мембран, вызывая отрыв частиц от поверхности мембраны и предотвращая образование гелевого слоя загрязнений (рис. 1, в). Однако в системах очистки воды такой режим первоначально был отвергнут, очевидно, вследствие высоких затрат на электроэнергию. Технология с режи-мом тупиковой фильтрации является, по-видимому, результатом поиска опти-мального соотношения стоимости аппаратов, эксплуатационных затрат и стоимости очищенной воды.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Режим с тупиковой фильтрацией предусматривает постоянное снижение производительности мембран в течение фильтроцикла, связанное с ростом слоя осадка и его сопротивления. На рис. 2 представлены экспериментальные дан-ные снижения производительности ультрафильтрационных мембран УАМ-150 (г. Владимир) при фильтровании воды р. Десны. Как видно из рисунка, в тече-ние 30 мин фильтроцикла производительность мембран падает примерно в 3 раза по сравнению с исходной. Поэтому средняя производительность мембран при работе в таком режиме оказывается на 40-50 % ниже паспортной произво-дительности по чистой воде. При работе в циркуляционном режиме процесс осадкообразования и снижения производительности идет гораздо медленнее.

Основной недостаток тупикового режима заключается в интенсивном загрязнении мембран. Как считают «идеологи» этого метода - специалисты фирм «Norit» и «Inge», обязательным условием работы ультрафильтрационных установок при очистке поверхностных вод является дозирование в исходную воду коагулянтов и флокулянтов для осуществления прямоточной коагуляции [6, 7]. Эта мера применяется для связывания частиц малого размера, наиболее «опасных» для забивания пор мембран [8 - 11]. Как показывает опыт эксплуатации установок ультрафильтрации, даже применение коагулянтов и регулярные промывки обратным током не избавляют от неуклонного снижения производительности мембран. Причиной этого является ненадежность процесса прямоточной коагуляции.

Рис. 2. Снижение производительности мембран УАМ-150 при фильтровании воды р. Десны 1 - с предварительной коагуляцией; 2 - без коагуляции мембранный ультрафильтрационный кристаллический осадок

Как подтверждают специалисты ведущих фирм - производителей мем-бран, при очистке поверхностных вод расход очищенной воды на проведение обратных промывок составляет до 10-12% общего расхода фильтрата. Это очень большая величина (для сравнения расход воды на собственные нужды фильтровальных станций обычно составляет не более 5%), увеличивающая площадь фильтрующей поверхности мембран и соответственно капитальные и эксплуатационные затраты. Даже в случае применения оборотных промывных вод (рис. 1, б) капитальные затраты на мембраны остаются на том же уровне, происходит лишь снижение потребления исходной воды.

Стоимость мембранных аппаратов имеет большое значение при выборе технологии очистки. Как известно, рулонные элементы, по сравнению с аппаратами на основе капиллярных мембран, позволяют обеспечить более высокую рабочую площадь мембран и производительность аппаратов (при одинаковых объемах аппаратов) (табл. 1).

Таблица 1

Высокая скорость потока позволяет если не полностью избежать осадко-образования, то свести этот процесс к минимуму при минимальных затратах воды на проведение обратных промывок. Сравнение аппаратов по стоимости и энергопотреблению при их эксплуатации приведено на рис. 3.

Рулонная конструкция для систем ультрафильтрации и обратного осмоса давно признана оптимальной: аппараты обладают большой удельной поверхно-стью мембран и низкой материалоемкостью. Недостаток рулонной конструкции - наличие турбулизаторной сетки, которая является ловушкой для частиц, соз-дает высокое гидравлическое сопротивление потоку при работе аппаратов на воде, содержащей взвешенные вещества [12, 13]. Устранение этого недостатка может стать решающим шагом в создании технологий очистки поверхностных вод с применением мембранных аппаратов рулонной конструкции.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В последнее время для очистки поверхностных вод активно внедряется техноло-гия нанофильтрации, при которой установки работают без предочистки, забирая во-ду напрямую из поверхност-ных источников. Такие сис-темы производят фирмы «Norit» (Нидерланды) и «PCI» (Великобритания). Эффективность такой техно-логии, по мнению авторов, обусловлена созданием гид-равлических условий, не по-зволяющих взвешенным ве-ществам осаждаться на мем-бранах. Это достигается за счет применения трубчатой конструкции канала (трубчатых или капиллярных мембран), проведения автоматизированных гидравлических промывок со сбросом давления, частых химических регенераций, работы при высоких значениях скорости транзитного потока. Однако до сих пор такие системы не нашли широкого применения в водоподготовке из-за очень высоких капитальных и эксплуатационных затрат.

Совершенствование аппаратов рулонной конструкции и создание безреагентных схем водоподготовки, позволяющих напрямую обрабатывать поверхностные воды, является важнейшей задачей при разработке современных мембранных технологий для водоподготовки.

В аппаратах рулонного типа при движении транзитного потока происходит увеличение сопротивления из-за сетки-турбулизатора. Загрязнение усиливается вместо того, чтобы уменьшаться за счет перемешивания и снижения концентрационной поляризации. В местах контакта турбулизатора и мембраны возникает застойная зона - область, где нет потока воды и соответственно увеличения концентрационной поляризации. В этих зонах происходит образование кристаллов малорастворимых солей и гелеобразование. Возникновение гелевых слоев (коагуляция) идет вокруг этих областей быстрее, чем на поверхности мембран, что приводит к росту сопротивления (рис. 4).

Рис. 4. Влияние конструкции рулонных мембранных аппаратов на образование кристаллических осадков

1 - дренаж; 2 - мембрана; 3 - турбулизатор;
4 - кристаллический осадок; 5 - точки образования кристаллов (застойные зоны); 6 - слой осадка; 7 - скопление осадка

Увеличение сопротивления канала аналогично образованию «сводиков» между зернами загрузки в теории фильтрования. С течением времени сопротивление аппарата резко возрастает, что соответствует фильтрованию частиц, содержащихся в исходной воде, загрязненным турбулизатором. Решением проблемы является изменение конструкции канала, т. е. устранение сетки. Несмотря на очевидность и важность совершенствования канала рулонных элементов, этот вопрос до сих пор не рассматривается на должном уровне производителями рулонных элементов. Результаты выполненных экспериментов по определению зависимостей потерь напора от величины транзитного расхода для нового аппарата приведены на рис. 5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гидравлическое преимущество открытого канала возрастает при накоплении осадка на мембранах. При равных скоростях транзитного потока и одинаковом количестве осадков взвешенных и коллоидных веществ на поверхности мембран величины потерь напора в сравниваемых конструкциях мембранных элементов отличаются в 6-10 раз в пользу элементов с открытыми каналами. Основное преимущество аппарата с открытым каналом состоит не только в гораздо меньшем сопротивлении, но и в отсутствии причин для образования отложений малорастворимых в воде солей.

Вывод: Модернизация аппаратов, благодаря которой устраняется влияние турбулизаторной сетки на прирост сопротивления, позволяет добиться стабильной работы без снижения производительности. Внедрение рулонных элементов новой конструкции в практику водоподготовки позволит отказаться от мероприятий по предотвращению образования осадков (предварительное коагулирование и фильтрование, умягчение, подкисление, использование ингибиторов) и снизить затраты на эксплуатацию мембранных установок.

Литература

1. Первов А.Г., Андрианов А.П., Юрчевский Е.Б. Совершенствование систем очистки поверхностной воды // Аква-терм. 2008. № 4 (44).

2. Бондаренко В. И., Первов А. Г. Эколого-экономические аспекты применения мембранных методов в процессах очистки природных вод // Водоснабжение и сан. техника. 2006. № 5.

3. Андрианов А.П., Первов А.Г. Оптимизация процесса обработки воды методом ультрафильтрации // Водоснабжение и сан. техника. 2003. № 6.

4. Храменков С.В., Шредер Р. Юго-Западная водопроводная станция - новый шаг в развитии системы водоснабжения Москвы // Водоснабжение и сан. техника. 2006. № 11, ч. 1.

5. Громов С.А. Использование современных интегрированных мембранных технологий для улучшения качества питательной воды на предприятиях энергетики // Водоочистка. 2007. № 8.

6. Doyen W., Bae B., Beeusaert L. UF as an alternative pretreatment step for producing drinking water // Membrane Technology. № 126.

7. Guigui C., Rouch J.C., Durand-Bourlier L., et al. Impact of coagulation conditions on the in-line coagulation / UF process for drinking water production // Desalination. 2002. V. 147.

8. Yuan W., Kocic A., Zydney A.L. Analysis of humid acid fouling during microfiltration using a pore blockage-cake filtration model // J. Membrane Science. 2002. V. 198.

9. Aoustin E., Schfer A.I., Fane A.G., Waite T.D. Ultrafiltration of natural organic matter // Separation and Purification Technology. 2001. V. 22-23.

10. Seminario L., Rozas R., Brquez R., Toledo P.G. Pore blocking and permeability reduction in cross-flow microfiltration // J. Membrane Science. 2002. V. 209.

11. Бреан А., Глюсина К., Геген Ф., Лангле К. Комплексный подход к проблеме обрастания ультрафильтрационных мембран и контролю качества воды // Водоснабжение и сан. техника. 2007. № 4.

12. Riddle R.A. Open channel ultrafiltration for reverse osmosis pretreatment: IDA world conference on Desalination and Water Reuse. August 25-29, 1991, Washington.

13. Первов А.Г., Андрианов А.П., Козлова Ю.В., Мотовилова Н.Б. Новые технологии обработки поверхностных вод с применением нанофильтрации // Водоснабжение и сан. техника. 2007. № 5.

Размещено на Allbest.ru