ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ ДЛЯ ПРЕДПОДГОТОВКИ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Представлены результаты внедрения интегрированных мембранных систем на основе технологии ультрафильтрации и обратного осмоса в химическом цехе Новочеркасской ГРЭС

Громов С.Л., Ковалев М.П., Сидоров А.Р. ЗАО «НПК Медиана-Фильтр», Лысенко С.Е., Самодуров А.Н. ОАО «Новочеркасская ГРЭС»
Пантелеев А.А., ГУП ГНЦ РФ ТРИНИТИ

При реконструкции цехов химводоочистки (ХВО) на предприятиях энергетики, а также при проектировании новых теплоэлектростанций в последнее время все больше проявляется интерес к внедрению мембранных технологий водоподготовки для получения обессоленной воды [1,2,3] . Этот интерес обусловлен как экономическими, так и эксплутационными преимуществами новых технологий водоподготовки перед традиционными. В настоящее время концепция интегрированных мембранных технологий, в частности для энергетики, может включать в себя следующие мембранные установки или их комбинации:

Основным вопросом, который должен быть решен при использовании интегрированных мембранных технологий в промышленной водоподготовке, является создание системы их комплексной автоматизации, которая обеспечивает длительную и надежную работу всего комплекса водоподготовки при минимальных эксплуатационных затратах. Внедрение интегрированных мембранных технологий позволит создать экологически чистые, безреагентные, ресурсосберегающие системы для получения высокочистой подпиточной воды для предприятий промышленности, тепловой и атомной энергетики, позволит резко сократить объем отходов, направляемых на утилизацию или захоронение, что существенно повышает экологичность и экономичность этих предприятий.

Кроме того, внедрение мембранных технологий позволяет не только значительно сократить использование химических реагентов, потребление воды на собственные нужды и занимаемые площади, но повысить качество обессоленной воды и выйти на новый уровень управления процессом производства. Первым шагом на пути внедрения таких систем, явилось использование установок обратного осмоса (УОО) на предприятиях энергетики для частичного обессоливания воды [4] . Эти установки заменили ранее существовавшие ионообменные фильтры первой ступени и позволили значительно (более чем в 20–40 раз) снизить потребление кислоты и щелочи для целей водоподготовки. Длительный опыт эксплуатации установок обратного осмоса выявил некоторые особенности их работы [5] . Прежде всего, это относится к требованиям, предъявляемым к питательной (осветленной) воде, которая подается на мембранные установки.

Предподготовка воды перед установками обратного осмоса

Многолетняя практика убедительно доказала, что для установок обратного осмоса одним из главных факторов, от которого зависят показатели надежности и уровень затрат при эксплуатации, является качество питательной воды. Вредное воздействие компонентов, содержащихся в воде, поступающей на установки обратного осмоса, проявляется в засорении активной поверхности мембранных элементов, образованию на них отложений, а также к химической деградации селективного барьерного слоя мембраны. Под засорением («fouling» – для его обозначения также используют термин «отравление») понимают формирование на поверхности мембран осадка, состоящего из частиц и соединений, присутствующих в обрабатываемой воде в нерастворимом состоянии (в виде взвесей и коллоидов); под отложениями («scaling») подразумевают твердую фазу, выпадающую на поверхность мембран при фазовом переходе (кристаллизации) из раствора; деградация барьерного слоя – это процесс, выражающийся в разрыве полиамидных цепей под влиянием окислителей или термической деструкции.

В результате перечисленных выше воздействий снижаются производительность установок обратного осмоса, селективность, гидравлический к.п.д., возрастают эксплуатационные расходы. Производителями мембранных элементов были сформулированы основные критерии, которым должна соответствовать вода, поступающая на установку обратного осмоса. Считается, что для грамотно спроектированной такой системы водоподготовки выполнение приведенных ниже требований позволяет обеспечить достаточный срок эксплуатации мембранных элементов (5–6 лет), при приемлемом уровне расходов, обусловленных частотой проведения химических промывок.

Основные технические требования к питательной воде, предъявляемые производителями тонкопленочных композитных мембран на основе полиамида:

  • значение показателя коллоидного индекса (SDI ) не более 5 (в зависимости от предполагаемого съема с единицы поверхности мембраны, см. таблицу 1);
  • мутность не более 0,1 NTU;
  • температура от 4 до 45 0С;
  • содержание свободного хлора (и других сильных окислителей) не более 0,1 мг/л;
  • содержание органики по общему органическому углероду (ТОС) не более 3 мг/л;
  • содержание железа не более 0,1 мг/л;
  • содержание марганца не более 0,1 мг/л;
  • содержание масел и нефтепродуктов не более 0,1 мг/л;
  • значение рН 2–12*.

себестоимость водоподготовки

Иногда в дополнение к изложенным выше требованиям вводят ограничения по остаточному содержанию в питательной воде алюминия, содержанию микроорганизмов. Методы предподготовки воды перед установкой обратного осмоса варьируются в зависимости от источника водоснабжения, среди которых поверхностные источники рассматриваются как наиболее сложные в эксплуатации.

Причиной этого являются:

  • нестабильность показателей температуры и качественного состава воды (как периодического характера – например, сезонные колебания, так и спорадического, вызываемые порой сбросом промышленных стоков в водоемы);
  • возможность присутствия в исходной сырой воде практически любых видов загрязнений (взвесей, коллоидов, органики любых видов, солей жесткости, железа, сульфатов, нефтепродуктов, микроорганизмов и т.д.).

Поэтому далее остановимся именно на технологиях предподготовки поверхностной воды. Традиционные способы основаны на сочетании методов коагуляции (флокуляции) с осаждением и фильтрованием:

1) исходная вода пропускается через фильтры грубой очистки (сетки), затем проходит через осветлитель (который может функционировать как в режиме известкования с коагуляцией, так и в режиме чистой коагуляции, как с применением органических флокулянтов, так и без них) и, наконец, фильтруется на механических фильтрах;

2) в исходную воду, прошедшую через фильтры грубой очистки и флотаторы, дозируется коагулянт непосредственно на входе в механические фильтры, на фильтрующей загрузке которых протекает контактная коагуляция одновременно с сепарацией образующихся хлопьев;

3) в случае, если в исходной воде содержатся в большом количестве микроорганизмы, то для их подавления могут дополнительно к двум указанным выше способам обработки дозировать в обрабатываемую воду активный хлор, озон, биоциды или использовать ультрафиолетовое облучение для беззараживания.

типы ультрафильтрации воды

Предподготовка поверхностной воды традиционными методами позволяет снизить содержание органики на 50–70% от исходного значения, удалить до 50% кремниевой кислоты, обеспечить уменьшение остаточного содержания взвешенных веществ до концентраций на уровне 1 мг/дм3, как правило, добиться соответствия требованиям по предельно допустимой концентрации железа, марганца и даже нефтепродуктов (если их содержание в исходной воде не превышало 2 мг/дм3). При применении известкования ко всем факторам, перечисленным выше, добавляются еще и снижение жесткости и щелочности предподготовленной воды. Для традиционных способов обработки воды наиболее проблемными являются требования к допустимому остаточному значению мутности и индексу плотности осадка (коллоидному индексу – SDI). В самом деле, гранулометрический состав присутствующих в исходной воде взвесей и коллоидов варьируется в диапазоне от сотых долей до сотен мкм. Для сепарации частицы с характерным размером порядка 1 мкм время ее пребывания в камере осаждения должно исчисляться часами, что может считаться допустимым в лабораторных условиях, но никак не для действующего производства. В то же время механические фильтры способны сепарировать из воды частицы с размерами более 1 мкм, но достаточную для практических целей очистки воды эффективность демонстрируют только для частиц с размерами от 10 мкм и выше.

Напомним, что при определении значения SDI используются микрофильтры с размером пор 0,45 мкм, которые, соответственно, эффективно удаляют из воды любые включения с размерами, превышающими указанный. Поэтому задача обеспечения допустимых значений по мутности и SDI исходной воды после традиционной предочистки представляется нетривиальной с технической точки зрения. Первоначально, при реконструкции систем ХВО использовались старые схемы осветления в составе осветлителей (известкование с коагуляцией или без) и механических фильтров, а системы обратного осмоса встраивались в существующую технологическую схему. Основная задача осветлителей – уменьшение содержания в воде мутности, взвешенных веществ, жесткости, кремния, железа и органики. Однако при вводе в эксплуатацию установок обратного осмоса первоначально игнорировалось требование об обеспечении коллоидного индекса на уровне 3–5. Обычное значение SDI в отрытых водозаборах колеблется от 5 до 6,5, в скважинах – от 2 до 5. В результате если не контролировался коллоидный индекс в исходной воде, производительность установки водоподготовки, значительно отличалась от расчетной. Это приводило к необходимости изменения технологических параметров процесса (давление, расходы) и увеличению частоты проведения химических моек мембранных элементов. Для уменьшения коллоидного индекса после осветлителей, были проведены попытки изменения режимов регенерации механических фильтров. Так, на Новочеркасской ГРЭС для предподготовки воды перед обратноосмотической установкой после осветлителя, работавшего в режиме известкования с коагуляцией, использовалась схема с двухступенчатым фильтрованием воды на механических фильтрах с антрацитовой загрузкой. Были решены задачи по оптимизации и взаимному согласованию режимов работы фильтров на каждой из ступеней. Только после этого удалось добиться устойчивого значения SDI обработанной воды в пределах 5. Современной альтернативой традиционным способам предподготовки воды перед обратноосмотической установкой является технология ультрафильтрации (УФ). Средний размер пор мембран (для половолоконных элементов, применяемых для целей водоподготовки) составляет 0,03 мкм, поэтому не удивительно, что применение ультрафильтрации позволяет гарантировать значение SDI не более 3 (нередко на практике – от 1 до 2) и остаточную мутность менее 0,1 NTU.

Значение показателя SDI является важнейшим фактором, определяющим допустимое значение расхода пермеата в единицу времени через 1 м2 мембранной поверхности (удельный съем) для установки обратного осмоса. Обратимся к рекомендациям ведущих производителей обратноосмотических мембранных элементов – компаниям Dow Chemical и Hydranautics для подтверждения данного тезиса. Очевидно, что с уменьшением коллоидного индекса удельный съем пермеата с обратноосмотической мембраны может быть увеличен в 1,5 – 2 раза! А это означает, что обратноосмотическая установка могут быть более компактными и, соответственно, более дешевыми. Как показал более чем 20-летний опыт внедрения технологии ультрафильтрации в промышленности, использование ультрафильтрации перед обратным осмосом по сравнению с обычными технологиями имеет ряд преимуществ:

  • качество УФ фильтрата значительно лучше, чем при использовании классических технологий. Значение SDI составляет от 0,9 до 3, мутность не превышает 0,1–0,2 мг/л. Высокая степень удаления коллоидного кремния и органических веществ (до 60–80%) Эффективное удаление железа и марганца высоких кон-центраций (свыше 10 мг/л).
  • качество УФ фильтрата очень стабильно и практически не зависит от колебаний качества исходной воды.
  • значительно снижается частота химических моек установок обратного осмоса.
  • не требуется использование извести.
  • снижаются расходы потребляемой воды в 1,5–2 раза;
  • уменьшаются энергозатраты в 1,5–2 раза ;
  • значительно снижаются трудозатраты по обслуживанию и уходу и при этом себестоимость предподготовки воды снижается более чем в 3 раза.

Кроме того, ультрафильтрации, обладая высокой задерживающей способностью по микроорганизмам, позволяет весьма существенно снизить риски микробиологического засорения обратноосмотических мембран, связанные с формированием на их поверхности биопленок. Обычно коагуляция предшествует ультрафильтрации при применении последней для целей предочистки воды перед обратным осмосом. При этом расходы коагулянтов оказываются в несколько раз ниже, чем при традиционных способах организации этого процесса, а эффективность сепарации – существенно более высокой. Объяснением этому явлению служит показатель задерживающей способности ультрафильтрационных элементов. Приведенная ниже таблица дает представление о себестоимости предподготовки воды при обработке поверхностных вод. Таким образом, преимущества УФ перед стандартными способами предподготовки питательной воды для обратного осмоса не вызывают сомнений.

Далее - окончание статьи

(c) 2010 НПК "Медиана - фильтр"
Все права защищены.