Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные тенденции в использовании нанофильтрационных и обратноосмотических мембран в питьевом водоснабжении .18
1.1 Область применения; нанофильтрационных установок подготовки питьевой воды 18
1.2. Основные проблемы, связанные с применением нанофильтрации...2Г
1.2.1 Общие положения 21
1.2.2 Прогноз состава фильтрата при очистке многокомпонентных растворов 22
1.2.3 Задержание ионов железа, фтора, аммония, бора и брома 31
1.3. Очистка от органических веществ с помощью нанофильтрационных
мембран. 35
1.3.1 Осадкообразование на мембранах... 38Ї
1.3.2 Осадки малорастворимых солей. Ингибиторы 38
1.3.3 Осадки взвешенных и коллоидных веществ 42
1.3.4 Органическое загрязнение мембран... 42
1.3.5. Биологические осадки. 48
1.4. Контроль над осадкообразованием на мембранах 48
1.4.1. Индексы осадкообразования .48
1.4.2.0писание существующих индексов загрязнений и их недостатки
1.4.2.1. Индекс SDI 49
1.4.2.2. Модифицированный индекс загрязнения з
1.4.2.3. Индекс Ланжелье 53
1.4.2.4. Индексы контроля биологического загрязнения 54
1.5. Выводы по главе 1 54
Глава 2. Прогнозирование изменения состава очищенной воды в процессе эксплуатации установки 56
2.1 Методика определения селективности мембран в зависимости от ионного состава исходной воды 56
2.2 Обработка экспериментальных данных 58
1 2.3. Прогнозирование изменения селективности нанофильтрационных мембран с течением времени 62
2.4. Изменения скоростей осадкообразования в процессе работы установки 68
2.5. Оценка влияния осадка на качество фильтрата 73
2.6. Рекомендации по применению нанофильтрационных мембран ОПМН для получения воды питьевого качества 78
2.7. Выводы по главе 2 82
Глава 3. Изучение эффективности применения новых типов ингибируюпщх веществ 84
3.1. Общие положения 84
3.2 Экспериментальная программа по испытаниям нового ингибитора..90
3.2.1 Эксперименты по определению скорости образования карбоната кальция 90
3.2.2 Определение характеристик патрона-дозатора, сухого ингибитора
3.3 Выводы по главе 3
Глава 4. Разработка технологии по снижению концентрации бора и брома при опреснении морских и подземных вод 97
4.1. Введение: цели и задачи экспериментов 97
4.2. Описание методики экспериментов 103
4.3. Результаты экспериментов 107
414. Выводы по главе 4 110
5.1 Общие положения 112
5.2 Основные типы мембранных установок 113
5.3 Оптимизация работы установок при обработке воды из городского водопровода и подземных вод для питьевого водоснабжения
5.3.1 Общие положения 114
5.3.2 Оптимизация параметров работы нанофильтрационных установок при обработке подземных вод (снижение содержания ионов железа, жесткости, фторидов) 115
5.3.3 Выбор оптимального типа мембран для очистки воды и определение величины экономического эффекта 119
5.4 Оптимизация работы установок при очистке подземных вод, для снижения концентраций бора и брома. Определение экономического эффекта от применения мембран 127
5.5 Снижение аммиака и аммония 138
5.6 Оптимизация работы установок при обработке вод северных районов с высокой цветностью 139
5.6.1 Эффективность очистки воды от органических соединений с
помощью мембран 139
5.7 Выводы по главе 5 146
Общие выводы 148 Условные обозначения: 151
Список литературы
- Осадки взвешенных и коллоидных веществ
- Прогнозирование изменения селективности нанофильтрационных мембран с течением времени
- Эксперименты по определению скорости образования карбоната кальция
- Оптимизация параметров работы нанофильтрационных установок при обработке подземных вод (снижение содержания ионов железа, жесткости, фторидов)
Введение к работе
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.
Научная новизна определяется следующими положениями:
- разработана экспериментальная методика прогноза состава очищенной воды, позволяющая определить концентрации ионов; Ca2+, Mg2+, Na+, SO42-, 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.
Осадки взвешенных и коллоидных веществ
В [28] экспериментально изучались возможности моделирования процесса задержания фторид-ионов нанофильтрационными мембранами.
В разработанной программе использованы экспериментально полученные кривые, описьшающие прохождение различных ионов через мембрану из растворов различного состава.. Добавляя в раствор последовательно новые ионы, можно охватить различные комбинации ионов присутствующих в шестикомпонентных составах природных вод в широком диапазоне значений общего солесодержания, щелочности, жесткости и рН.
Разработанная технология прогнозирования составов фильтрата основана на экспериментальном определении селективностей мембран ОПМН-К для разных составов исходной воды.
Степень задержания мембранами иона Fe будет зависеть от их концентрации, ионного состава воды и зарядов ионов. Так, в растворе сульфата натрия селективность по иону Fe будет выше, чем в растворе хлорида кальция. Благодаря наличию поверхностного отрицательного заряда, мембрана хуже задерживает положительно заряженные двухвалентные ионы кальция и, вместе с ними ионы железа. В случае, если в воде содержатся отрицательные фторид-ионы, их проникновение в фильтрат также зависит от доли двухвалентных сульфат-ионов в исходной воде (рис. 1.9).
Ионы брома задерживаются мембранами так же, как хлорид-ионы [86].
При опреснении морских вод методом обратного осмоса с применением высокоселективных мембран высокого давления бор задерживается на 60-75%. Раньше на это обстоятельство не обращали внимание, поскольку международные стандарты на состав опресненной воды отличались от стандартов на воду, используемую в питьевом водоснабжении. Однако в настоящее время при переходе к международным стандартам питьевого водоснабжения проблема бора и брома коснулись опреснительных 5 1,00
Зависимость значений селективностей нанофнльтрационных мембран по ионам Fe2+ (а) и F" (б) от ионных составов разделяемых растворов. установок — опресненная вода, используемая для питьевых целей, должна отвечать международным стандартам ВОЗ. Бор СОДерЖИТСЯ В МОрСКОЙ ВОДЄ В ВИДЄ борНОЙ КИСЛОТЫ Н3ВО3 , которая, как слабая кислота, диссоциирует в три ступени НзВОз-+ЕҐ+Н2В032" Н2В032" - Н Ч- НВОз2" (1.2) НВ032" ИҐ+В032" Как слабая кислота, борная кислота лучше диссоциирует при высоких значениях рН. Как известно, обратноосмотические мембраны хорошо задерживают гидратированные ионы солей, но плохо задерживают электронейтральные молекулы. Поэтому селективность обратноосмотических мембран по бору возрастает при повышении значения рН обрабатываемой воды. На рисунке 1.10 показано изменение концентрации борной кислоты и ионов НВОз в зависимости от рН исходной воды для различных мембран. Для увеличения селективности мембран по бору 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 СаСОз на мембранах. Поэтому технология обработки морских и подземных вод, содержащих В" и Вг", должна учитывать одновременно и мероприятия по предотвращению осадкообразования [86,95].
Большое значение имеет и выбор типов мембран, и подбор оптимальных характеристик работы установок (величина выхода фильтрата, величина рабочего давления), от которых зависит интенсивность осадкообразования. Задержание низконапорными мембранами бромид-ионов происходит так же, как и хлорид-ионов.
Основную задачу для каждого типа мембран представляет прогноз качества очищенной воды. И если по основным компонентам солевого состава воды такая задача, в общем, решена, то по микроэлементам и по
Отношение концентраций Н3ВО3/Н2ВО3" как функция рН 1- Н3ВО3; 2-Н2ВО3" б) Изменение селективности по бору в зависимости от величины рН для различных мембран. [95] органическим веществам до решения еще далеко. Особенно важна проблема изменения селективности мембран со временем в процессе ее загрязнения.
Поэтому процессы осадкообразования являются предметом глубокого изучения.
При использовании в питьевом водоснабжении указанных технологий, важной проблемой является возможность применения мембран для получения воды заданного качества в первую очередь для снижения органических загрязнений (гуминовых веществ, образующих цветность, хлорорганических соединений), а также неорганических: фторидов, стронция, нитратов, бора и т.д. Степень задержания тех или иных веществ определяется рядом факторов, зависящих от материала, заряда и селективных свойств мембран, а также параметров работы установки: величины рабочего давления и выхода фильтрата.
В зависимости от своего молекулярного веса загрязнения по-разному задерживаются мембранами. В работах [28-31] сообщается о возможностях нанофильтрационных мембран по задержанию органических загрязнений. Снижение гербицидов и пестицидов с помощью нанофильтрационных мембран рассматривается в работах [31, 32]. Важным при подготовке питьевой воды является задержание хлорорганических соединений продуктов дезинфекции, находящихся в природных поверхностных водах или образующихся в процессе хлорирования воды. Как показано в работе [29], нанофильтрационные мембраны успешно справляются с хлорорганическими соединениями с молекулярной массой более 2000 Дальтон.
Прогнозирование изменения селективности нанофильтрационных мембран с течением времени
Как известно, ионный состав фильтрата в процессе работы мембранных установок может постоянно меняться. Это вызвано образованием на мембранах осадков и снижением вследствие этого селективности мембран. Представляет большой интерес не только определить для разных составов исходной воды количественный состав фильтрата, но и спрогнозировать снижение селективности мембран с течением времени, в частности, дать прогноз и определить время «проскока» в фильтрат ионов F" и Fe (при обработке подземной воды), а также ряда других веществ (органических соединений, нитратов и т. д.)
При обработке природных вод основным и наиболее "опасным" видом осадка является карбонат кальция [88]. В работах [87-90] были представлены методики прогнозирования падения производительности и селективности обратноосмотических мембран. Однако, как было ранее показано [88], на скорость образования осадка карбоната кальция в большей степени влияет величина селективности мембран по осадкообразующим ионам. При обработке природных вод с помощью нанофильтрационных мембран, процессы накопления осадка и снижение селективности могут происходить с закономерностями, отличающимися от тех, которые наблюдаются при обратном осмосе [97].
Для оценки влияния осадка карбоната кальция на работу нанофильтрационных мембран использовалась методика, описанная в [88]. Одновременно с проведением экспериментов по определению селективностей нанофильтрационных мембран, проводились ресурсные испытания элемента (типа 1812) с нанофильтрационными мембранами ОПМН на воде московского водопровода. Результаты этих испытаний, проводившихся в течение 1000 часов, представлены нарис. 2.6.
Сущность методики экспериментального определения скоростей осадкообразования описана в [88]. Для проведения экспериментов использовалась экспериментальная установка, показанная на рис. 2.1а. Исходная вода помещается в бак 1, фильтрат собирается в бак 4, а концентрат возвращается в бак 1. В процессе концентрирования исходной воды отбираются пробы концентрата. Если на мембранах имеет место осадкообразование (отложение карбоната кальция), то кратность концентрирования исходной воды по ионам кальция будет отличаться от кратности концентрирования ее по ионам магния (или хлорид-ионам) (не выпадающим в осадок). Количество образовавшегося осадка в мг-экв можно определить, как разницу между количеством ионов кальция в исходной воде и количеством кальция в фильтрате и концентрате (в баках 1 и 4). Результаты определения скоростей осадкообразования при обработке растворов, ранее исследованных на предмет определения селективности (рис. 2.2 и 2.3), показаны на рис 2.8. Для растворов с различным ионным составом построены зависимости скоростей осадкообразования от кратности концентрирования.
Разница между концентрацией ионов Са2+, которая должна соответствовать кратности концентрирования исходной воды на данной стадии эксперимента, и действительной концентрацией кальция (определенной в пробе), позволяет нам вычислить количество выпавшего из данного объема осадка. Таким образом, можно вычислить количество осадка в аппарате, образующегося в данный момент времени: где, Мое. - количество накопленного в данный момент осадка; VHCX —исходный объем раствора в начале эксперимента; Vt — объем в момент времени t; Ctfz-, Єа2+ - соответствует концентрации а2+ в начальный момент и момент времени t Пользуясь разработанной методикой; можно построить графики зависимости массы накопленного осадка от времени. Каждая кривая характеризует процесс роста осадка при концентрировании воды данного состава (рис 2.7): Измерение тангенса угла наклона касательной к графику зависимости массы осадка от времени (для данного момента времени) дает нам значение скорости роста осадка [88].
Нарис. 2.7 показаны стадии определения скоростей осадкообразования (на примере воды московского водопровода): зависимость концентраций кальция в баках концентрата от кратности объемного концентрирования (а), зависимость количества осадка карбоната кальция от кратности концентрирования (б); зависимость количества осадка карбоната кальция от времени эксперимента (в); зависимость скорости образования осадка от кратности концентрирования (г). Скорость образования осадка определяется как тангенс угла наклона касательной к кривой на графике рис. 2.7г [88].
Как видно из рисунка, скорость осадкообразования тем выше, чем выше значение селективности мембран: как показывают предыдущие эксперименты при разделении растворов, содержащих двухвалентные ионы (Са2+, Mg2+, SO42"), селективность мембран оказывается выше.
Для предотвращения образования осадка карбоната кальция используют дозирование ингибитора в исходную воду. Ингибиторы замедляют скорость роста осадка и, соответственно, продлевают срок эффективной работы установок до проскока загрязнений в фильтрат. Для примера представлены результаты определения скоростей образования осадка в мембранном аппарате 1812 с мембранами ОПМН в присутствии ингибитора АМИНАТ производства НПО "Траверс" представлены на рис. 2.9.
Для определения скоростей осадкообразования в зависимости от ионного состава воды используется методика [88] на основе обработки экспериментальных результатов аналогично описанному выше методу прогноза значений концентраций. Зависимости, показанные на рис. 2.7 и 2.9, могут быть представлены в виде показательной функции общего вида: V=aebK (2.2) V - скорость образования осадка, мг-экв/час; К - кратность концентрирования; a, b — коэффициенты. На рис. 2.7д экспериментальные кривые, представленные в виде зависимостей lgV от К, коэффициенты в которых определены расчетным путем. Эти уравнения зависимостей скорости роста осадка от кратности концентрирования охватывают характерные составы подземных вод: общее солесодержание до 1500 мг/л; концентрацию кальция от 4,8 до 10 мг-экв/л; значение рН от 7,7 до 8,4.
Эксперименты по определению скорости образования карбоната кальция
Как уже было показано выше (гл. 1,2) серьезной проблемой при работе мембранных установок является образование на мембранах нерастворимых солей кальция. Это укорачивает срок работы мембранных установок вследствие влияния осадка на производительность и селективность мембран. Создание систем водоподготовки малой производительности (0.5-5 м3/час) требует и нового подхода к разработке технологий предочистки исходной воды и эксплуатации установок. Главным отличием таких технологий является простота, малые габариты, минимум затрат, автоматизированная работа, минимальное время на обслуживание.
Наиболее "существенной" проблемой эксплуатации систем обратного осмоса является образование на мембранах различных отложений (в первую очередь карбоната кальция, а также сульфата кальция, гидроокиси железа, коллоидных и органических веществ).
Проблема эксплуатации установок обратного осмоса традиционно решается с одновременным использованием двух типов реагентов: - с помощью дозирования в исходную воду ингибиторов (антискалянтов). Роль их сводится к замедлению скорости образования осадков карбоната и сульфата кальция, доза ингибиторов составляет обычно не более 1-5 мг/л исходной воды; - с помощью проведения регулярных химических промывок для растворения и удаления образовавшихся осадков карбоната кальция, гидроокиси железа, коллоидных и бактериальных отложений. Эффективность использования ингибиторов солеотложения в качестве предварительной обработки воды перед ее подачей на мембранные установки доказана уже давно. Если раньше (20-25 лет назад) для ингибирования эффективно применялся гексаметафосфат натрия, то за последние 10-15 лет его полностью вытеснили современные ингибиторы на основе фосфоновых или акриловых кислот, благодаря удобству растворения и дозирования, а также стойкости к гидролизу [88].
В отечественной практике применение ингибиторов для работы мембранных установок было начато с 70-х годов прошлого века. Первые шаги по обоснованию эффективности ингибиторов на основе фосфоновых кислот были сделаны специалистами НИИ ВОДГЕО и ИРЕА [88]. Как было показано в работе [92], отечественные ингибиторы ИОМС и "Фосфанол", разработанные в ИРЕА, по эффективности применения в эксплуатации обратноосмотических установок не уступают лучшим образцам ингибиторов производства крупнейших зарубежных фирм поставщиков (BIOLAB и Genesis- Великобритания, ARGO-Scientific — GIIIA, и др.)[92,93].
Проведенные исследования ЯМР-спектров [93] показали, что по своему химическому составу и содержанию основного компонента ИОМС приближается к широко используемому в зарубежной практике ингибитору Permatreat (Nalco) и Flocon (Biolab).
Ингибиторы, разработанные ИРЕА, достаточно широко применяются при эксплуатации обратноосмотических установок, используемых в различных отраслях промышленности. Дозирование ингибитора: производится с помощью насоса-дозатора.
Технологический , расчет водоочистной мембранной установки предполагает: разработку технологической схемы установки, определение всех видов оборудования, входящих в схему, а также виды расходных материалов, определение методов их применения и расходов. Типы реагентов, рекомендуемых фирмой "Траверс" для эксплуатации мембранных установок, показаны в таблице 3.1. Пример подбора доз и расходов реагентов (ингибиторов и моющих растворов) для эксплуатации систем нанофильтрации при обработке подземной воды показан в таблице..3.2
Название,марка продукта Физические свойства Химический состав Применение
Ингибитор для предотвращения образования кристаллических отложений малорастворимых в воде солей на мембранах
Аминат-К Жидкость светло-желтого цвета Водный раствор натриевых солейсмеси метилиминодиметилфосфоновой и нитриметилфосфоновой кислот Эффективная дозасоставляет 5-10 мл/мЗобрабатываемой воды.Реагент дозируется висходную воду при помощинасоса-дозатора
Моющие композиции для удаления с мембран различных отложений Аминат ДМ-30 ДМ-14 Кислый раствор Водный раствор смеси неорганической и органической кислот Растворение отложений СаСОз, Fe(OH)3, CaS04 Аминат ДМ-56 Кислый раствор Водный раствор смеси неорганической и органической кислот Растворение отложений СаСОз, Fe(OH)3, CaS04 Аминат ДМ-50 Щелочной моющий состав Водный раствор натрия гидроксида, содержащийорганический комплексообразователь Растворение органических, коллоидных и биологических загрязнений с поверхности мембран Аминат ДМ-70 Щелочной моющий состав Водный раствор натрия гидроксида, содержащийорганический комплексообразователь Растворение органических, коллоидных и биологических загрязнений с поверхности мембран
Однако, современное дозирующее оборудование достаточно дорого. Кроме того для установок малой производительности (при дозировании не более 1 г/ч) насос-дозатор с расходной емкостью раствора ингибитора оказывается экономически невыгодным и неудобным с точки зрения эксплуатации. Для обеспечения малых доз ингибитора требуется разбавление. При длительном нахождении разбавленного ингибитора в расходных баках происходит его бактериальное заражение. Жидкие ингибиторы обычно имеют низкое содержание продукта (порядка 20 %), что усложняет их транспортировку и использование.
Указанные недостатки современных жидких ингибиторов при их применении в установках малой производительности заставляют искать новые решения [91].
При разработке установок нового поколения, а именно небольших 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.
Для упрощения и удешевления сервиса мембранных установок представляется эффективной и перспективной применение мембранных элементов, фильтров предочистки, дозаторов ингибитора в виде сменных катриджей.
Известны патроны-дозаторы сухого ингибитора, эффект растворения ингибитора в которых основан на контакте массы ингибитора с проточной водой. Ингибитор представляет собой обработанные по специальной технологии полифосфаты натрия, позволяющие обеспечить его медленное равномерное растворение. Ингибитор поставляется в виде сменных картриджей, которые устанавливаются в корпусе патронного фильтра и заменяются после использования ингибитора. На рис. 3.1 показаны примеры установок производительностью 1 м /час с использованием системы дозирования жидкого ингибитора и с ингибиторным патроном.
Оптимизация параметров работы нанофильтрационных установок при обработке подземных вод (снижение содержания ионов железа, жесткости, фторидов)
Как уже было показано в гл. 5, раздел 3, выбор типа мембран оказывает существенное влияние на себестоимость воды. Обратноосмотические мембраны, хотя и обеспечивают глубокое обессоливание воды (и очистку от железа, жесткости, фтора и т. д.), достаточно быстро теряют производительность и селективность вследствие интенсивного осадкообразования. Нанофильтрационные мембраны, обеспечивая также частичное снижение этих ионов, менее подвержены осадкообразованию (см. гл. 2) и, соответственно, требуют менее частых мероприятий по проведению химических промывок. В ряде случаев, при использовании нанофильтрационных мембран, можно отказаться от дозирования в исходную воду ингибитора.
При обработке подземных вод с невысокой минерализацией мембраны обратного осмоса и нанофильтрации эффективно задерживают одновременно ионы жесткости и железа, а также ряд загрязнений в ионной форме: фториды, аммоний, стронций, нитраты и другие. В подземных водах (особенно северных районов РФ) часто содержится ион аммония в концентрациях, превышающих нормы СанПин в 2-5раз. Это часто создает препятствия для использования воды в питьевом водоснабжении (см. гл. 1). Мембраны по-разному могут задерживать различные ионы в зависимости от их природы, заряда и валентности, поэтому для прогноза качества фильтрата для разных случаев состава воды используют компьютерные программы. Важно учитывать то обстоятельство, что в зависимости от типа мембраны не только по разному задерживаются ионы, но и в разной степени подвержены осадкообразованию, вследствие чего период "проскока" загрязнений в фильтрат и время работы установки до проведения промывок отличаются.
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. нанофильтрационные мембраны обеспечивают удаление загрязнений, их использование всегда предпочтительней вследствие меньших эксплуатационных затрат.
В таблице. 5.1 представлены результаты определения эксплуатационных затрат работы установки производительностью 1м3/час при ее работе на водопроводной воде (г. Воронеж).
Расчеты эксплуатационных затрат производились на основе определения скоростей осадкообразования и определения времени "проскока" загрязнений - ионов фтора (гл.2).
Время работы установки до проскока является определяющим при расчете расходов сервисных реагентов. Расчеты позволили определить для случаев использования обратноосмотических мембран и мембран ОПМН в зависимости от величины выхода фильтрата расходы исходной водопроводной воды, электроэнергии, моющего раствора и ингибитора.
Методика расчета экономического эффекта от выбора типа мембран использованы ОАО "Владипор" (г. Владимир) — крупнейпшй производитель мембран типа ОПМН (приложение А). На основе полученных данных для установки производительностью 1 м /час представлены результаты расчетов приведенных затрат (см. таблицу. 5.1), позволяющие оценить экономический эффект от применения для данного случая мембран ОПМН (фирма "Владипор" г. Владимир), вместо мембран ESPA (Hydranautics, США).
Для оценки эффективности работы установки и прогнозирования "проскока" различных ионов использовались результаты экспериментов, описанные в главе 2 (см. рис. 2.6).
Как видно из таблицы 5.1 и рис. 5.6, величина эксплуатационных затрат зависит от расхода сервисных реагентов и стоимости водопроводной воды. Для работы установки выбирается "оптимальный" режим, соответствующий минимальному значению эксплуатационных затрат.
Выбор оптимального типа мембран для получения питьевой воды из подземных водоисточников (г. Воронеж). На примере системы производительностью 1 м3/час, на основе сравнения эксплуатационных затрат.
Электроэнергия, КВт/год Руб/год 9000 18000 9000 18000 4500 9000 4500 9000 4500 9000 4500 9000 Реагенты для промывки, Кг/год Руб/год 20 4000 10 2000 30 6000 15 3000 50 10000 25 5000 Ингибитор (в сухом виде), Кг/год руб/год 18 7200 12 4800 7.8, 3120і Стоимость водопроводной воды,руб/год 8 руб/м3 72000 72000 48000 48000 32000 32000 Годовыеэксплуатационныезатраты (без учетастоимости воды)руб/год 29200 20000 1900 12000 22120 14000 Выход фильтрата в % Рис 5.6 Зависимость величины эксплуатационных затрат от величины выхода фильтрата на примере данных таблицы 5.1. При определении экономического эффекта от применения нанофильтрационных мембран использовались результаты расчета эксплуатационных затрат (рис. 5.6) и выбора их оптимального значения (выход фильтрата 75%, использование нанофильтрационных мембран).
Установка предназначена для очистки подземной воды для питьевого водоснабжения предприятия "Озон" г. Балаково. Расчет приведенных затрат и величины экономического эффекта для выбранного метода очистки воды и типа мембран, представлены в таблицах 5.2 и 5.3. Расчеты проводились для случаев применения системы обезжелезивания и натрий-катионирования, а так же применение обратноосмотических мембран типа ESPA и нанофильтрационных мембран типа ОПМН: Расчеты расходов реагентов и обоснование их выбора, расчеты скоростей осадкообразования и прогнозирования "проскока" различных ионов в фильтрат были выполнены аналогично описанному выше.
Сначала были приведены расчеты по выбору оптимального типа мембран (таблица. 5.2), и далее проверены расчеты экономического эффекта от применения мембран ОПМН (таблица 5.3). Эксплуатационные затраты установки с нанофильтрационными мембранами были выбраны для случая выхода фильтрата 50%. Зависимость эксплуатационных затрат от величины выхода фильтрата для различных мембран представлена на рис. 5.8.
В таблице 5.3 представлены результаты определения экономического эффекта от применения выбранной на основе данных таблицы 5.2 установки с нанофильтрационными мембранами.
В качестве альтернативной технологии выбрана схема с применением фильтров с загрузкой "Birm" для обезжелезивания и Na-катионитовых фильтров для умягчения, предлагаемая большинством отечественных компаний, занимающихся водоподготовкой.
