Постоянно ухудшающееся качество воды поверхностных источников из-за антропогенного воздействия (сброс промышленных сточных вод, содержащих различные химические соединения, в том числе соли тяжелых металлов, а также смыв с полей гербицидов и пестицидов) и ужесточающиеся требования к качеству питьевой воды побуждают к разработке новых передовых технологий водоочистки.

До настоящего времени эта проблема решалась добавлением к традиционным водоочнстным сооружениям устройств по озонированию и сорбционной очистке, значительно усложняющих и удорожающих схему очистки и не повышающих качество воды. Существует мнение, что альтернативой поверхностным водоисточникам могут служить подземные воды (даже для водоснабжения крупных городов), менее подверженные антропогенному влиянию, забывая однако, что большинство подземных вод имеют повышенную жесткость и высокое содержание железа, что усложняет и удорожает схему их очистки по сравнению с традиционными (коагуляция - отстаивание - фильтрование).

    Очевидно, что решение этой проблемы для объектов с относительно небольшим водопотреблением. использующих в качестве исходной поверхностную, подземную и даже морскую воду, заключается в применении мембранных методов очистки. Из проработанных и опробованных к настоящему времени мембранных методов - электродиализа и обратного осмоса - последний является более универсальным и перспективным, так как позволяет освобождаться не только от солей и других веществ, находящихся в ионизированном состоянии, но также и от взвешенных и органических веществ, коллоидов, бактерий и вирусов. Гарантией высокого качества воды является размер пор мембран, препятствующих прохождению перечисленных веществ. При нарушении технологических режимов очистки может лишь снизиться производительность установок при сохранении требуемого эффекта очистки.

    До настоящего времени обратный осмос считался неконкурентоспособным (по экономическим показателям) по сравнению с другими традиционными методами очистки воды - коагуляцией с фильтрованием, аэрацией, сорбцией и т. д. Поэтому большинство специалистов отводило ему роль специального дорогостоящего метода, находящего ограниченное применение в таких областях как медицина, электронная и пищевая промышленность и др. Это объяснялось высоким удельным потреблением электроэнергии (7,5-10 кВт/м3 очищенной воды), высокими капитальными затратами (стоимость мембранных элементов и насосного оборудования), громоздкой системой предочистки.

    В последние годы мембраны и мембранные технологии постоянно совершенствуются. В настоящее время в нашей стране и за рубежом разработаны и изготовляются различные типы композитных обратноосмотических высоко- и низконапорных мембран, предназначенных для очистки различных категорий исходных вод.

    При выборе вариантов схемы очистки сильно загрязненных токсичными примесями поверхностных и жестких подземных вод с высоким содержанием железа для станций малой и средней производительности (50-1000 м3/сут) следует отдать предпочтение мембранным установкам. Они вполне конкурентоспособны традиционным схемам благодаря своей компактности и простоте и одновременно гарантируют высокое качество обработанной воды.

    Дезинфекция воды после традиционной очистки с использованием в качестве окислителя хлора теперь все более подвергается критике и ограничению из-за образования токсичных тригалогенометанов, а также недостаточной эффективности против некоторых патогенов. Мембранная очистка позволяет наряду с удалением из воды токсичных органических и неорганических загрязнений гарантировать и ее полное обеззараживание. По капитальным и эксплуатационным затратам мембранная технология становится все более конкурентоспособной для использования в коммунальном водоснабжении, не говоря уже о специальных отраслях, где требуется особенно высокое качество воды. Это происходит благодаря увеличению удельной производительности мембран при одновременном снижении величин рабочего давления (7-16 кгс/см2), что влечет за собой снижение расхода электроэнергии, стоимости напорных корпусов, насосного оборудования и гидравлических систем сбора и распределения воды у мембранных установок.

    Разработка и внедрение водо-очистных мембранных установок малой и средней производительности, работающих в автоматическом режиме и не требующих большого количества реагентов и обслуживающего персонала, имеют в нашей стране большие перспективы. Исходной водой для таких установок может быть: подземная (артезианская); из магистральных водопроводов, прошедшая традиционную очистку и требующая кондиционирования; из поверхностных водоисточников; морская. Возможность внедрения мембранных установок зависит в большой степени от надежности и долговечности их работы.

Как правило, артезианские воды характеризуются высоким содержанием железа (1-15 мг/л) и ионов жесткости (до 25 мг-экв/л) при относительно высоких значениях щелочности (5-10 мг-экв/л) и рН (7-7,8). При таких химических составах обрабатываемых вод возникает опасность образования на мембранах осадков коллоидного железа и малорастворимого в воде карбоната кальция. В поверхностных водах, помимо загрязнений антропогенного происхождения, всегда содержатся высокомолекулярные вещества (гуминовые и фульвокислоты), бактерии, водоросли и взвешенные вещества, которые могут осаждаться на мембранах. Это снижает срок их службы и ухудшает показатели работы установок.

    В настоящее время в нашей стране и за рубежом предъявляются жесткие требования к качеству воды, поступающей на мембранные установки: количество железа ограничивается концентрациями 0,1-0,2 мг/л, возможность образования осадка карбоната кальция регламентируется индексами Ланжелье или Стиффа и Дэвиса. Опасность образования коллоидных и органических осадков характеризуется обобщенно "индексом плотности ила" (Silt Density Index, SDI), приблизительно соответствующим суммарной концентрации взвешенных веществ 0,5-1 мг/л. Требуемое качество воды достигается специальными технологиями предочистки: удаление взвешенных веществ и снижение цветности коагуляцией, отстаиванием и фильтрованием: обезжелезивание воды аэрацией с последующим фильтрованием; ионообменное или реагентное умягчение; дозирование в исходную воду кислоты или ингибирующих веществ.

    Как правило, большинство зарубежных фирм-изготовителей промышленных мембранных установок не комплектует установки оборудованием по предочистке, за исключением "барьерных" патронных фильтров с размером пор 5 мкм на входе в установку. При поставке установок изготовители часто ограничиваются перечнем требований, предъявляемых к качеству поступающей на установку воды, тем самым снимая с себя ответственность за неудовлетворительную работу мембран в течение гарантийного срока службы (0,5-1 год) и предоставляя заказчику самостоятельно решать вопросы предочистки. В ряде случаев изготовители берутся за решение проблем предочистки по дополнительным контрактам, индивидуально для каждого заказчика.

Именно сложность процесса предочистки (вместе с высокой стоимостью установок) является причиной того, что установки обратного осмоса не распространены широко. Внедрять установки обратного осмоса рекомендуется на предприятиях с высокой степенью подготовки обслуживающего персонала, например, электронной, фармацевтической, пищевой и других отраслей промышленности, но они малодоступны широкому кругу потребителей - для водоснабжения поселков, групп коттеджей, фермерских хозяйств, котельных и малых производств. Для широкого круга потребителей требуются максимальная надежность и достаточная степень автоматизации при минимальном уровне сервисного обслуживания.

    В лаборатории опреснения и обессоливания воды ГН Ц РФ НИИ ВОДГЕО на протяжении ряда лет проводились научно-исследовательские работы по изучению процесса образования осадков малорастворимых солей в обратноосмотических аппаратах и причиной того, что установки обратного осмоса не распространены широко. Внедрять установки обратного осмоса рекомендуется на предприятиях с высокой степенью подготовки обслуживающего персонала, например, электронной, фармацевтической, пищевой и других отраслей промышленности, но они малодоступны широкому кругу потребителей - для водоснабжения поселков, групп коттеджей, фермерских хозяйств, котельных и малых производств. Для широкого круга потребителей требуются максимальная надежность и достаточная степень автоматизации при минимальном уровне сервисного обслуживания.

    В лаборатории опреснения и обессоливания воды ГН Ц РФ НИИ ВОДГЕО на протяжении ряда лет проводились научно-исследовательские работы по изучению процесса образования осадков малорастворимых солей в обратноосмотических аппаратах и методов борьбы с этим явлением. Результатом исследований стала технология предотвращения образования осадка карбоната кальция с использованием ингибиторов на основе фосфоновых кислот.

    Для технологии обессоливания артезианских вод с использованием аппаратов с низконапорными композитными мембранами были выбраны наиболее эффективные ингибирующие вещества. На основании методики, разработанной в лаборатории, были рассчитаны интенсивности образования осадка карбоната кальция в зависимости от ионного состава поступающей в обрати оосмотические аппараты артезианской воды. Зная интенсивности осадкообразования, можно прогнозировать общее количество накапливаемых загрязнений в аппаратах в процессе их эксплуатации и обосновать частоту отмывок (регенераций). 

    Своевременное удаление накопившегося осадка с помощью периодических отмывок моющими композициями позволяет поддерживать показатели работы аппаратов на заданном уровне в течение длительного времени. Для большинства случаев обессоливания артезианских вод необходимо проводить регенерацию не чаще 1 раза в течение 1000 ч непрерывной работы установок.

    Наряду с солями кальция в артезианских водах содержится железо в окисной форме в виде коллоидов гидроокиси железа. Как показывают результаты ранее проведенных в ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО исследований, осадки коллоидного железа не оказывают значительного влияния на процесс мембранного переноса в отличие от осадки карбоната кальция.

Значения интенсивностей образования осадка коллоидного железа при концентрациях его в воде до 10 мг/л всегда намного ниже значений интенсивностей образования на мембранах осадка карбоната кальция. Поэтому никаких специальных мер по предотвращению образования на мембранах осадков коллоидного железа предпринимать не следует. При запланированных регенерационных мероприятиях по растворению карбоната кальция осадок железа полностью удаляется с помощью тех же моющих составов.

    Проведенные в ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО исследования и опытно-промышленные испытания серии обратноосмотических установок с рулонными мембранными элементами на разных типах мембран позволили обосновать и разработать технологические схемы и конструкции установок, предназначенных для обработки подземных вод, воды поверхностных источников с содержанием взвешенных веществ до 10-15 мг/л и цветностью до 30-40 град, морской воды и кондиционирования водопроводной воды. Эта технология позволяет эксплуатировать обратноосмотические установки без предварительной очистки исходной воды. 

    Единственной мерой предотвращения осадкообразования карбоната кальция является непрерывное дозирование в исходную воду ингибитора с концентрацией 1-3 мг/л, что позволяет обеспечить надежную эксплуатацию установки в течение 1000-3000 ч без перерыва для вод в широком диапазоне минерализации и концентраций микроэлементов. Дозирование ингибитора осуществляется автоматически с использованием эжекторов и магнитных клапанов. Для установок разработана малогабаритная встроенная система дозирования с запасом 25-процентного раствора ингибитора на 1,5-4 мес. непрерывной работы, а также система для проведения профилактических регенерационных мероприятий, проводимых 1 раз в течение 1000-3000 ч, которая также частично автоматизирована и требует минимальных навыков. 

    Продолжительность регенерации составляет 2-2,5 ч. За время регенерации (отмывки), проводимой с помощью отмывочных растворов различных рецептур, с поверхности мембран практически полностью удаляются осадки карбоната кальция, коллоидное железо, взвешенные и органические вещества. 

    Влияние на работу мембран взвешенных и коллоидных частиц при обработке поверхностных вод также было изучено в лаборатории опреснения воды. Осадки взвешенных и коллоидных частиц, содержащихся в речной воде, довольно незначительно влияют на показатели мембран.     Это подтверждалось результатами многочисленных ресурсных испытаний на необработанной речной воде, в процессе которых в мембранных аппаратах накапливался осадок взвешенных веществ. Такие осадки имеют. как привило, рыхлую структуру, что незначительно влияет на производительность мембран. Для того. чтобы поддерживать показатели работы мембран в процессе их эксплуатации на заданном уровне, требуется проводить своевременные промывки (регенерационные мероприятия), в результате которых происходят растворение и удаление осадков.

    Исследованиями на поверхностной воде установлено, что при содержании в ней взвешенных веществ 5-10 мг/л период непрерывной эксплуатации между промывками может составлять 500-1000 ч. Взвешенные вещества, содержащиеся в исходной воде, опасны не столько из-за их отложения на мембранах. сколько из-за резкого прироста сопротивления потоку в каналах мембранных модулей вследствие "забивания" сепараторных сеток. Увеличение потери напора на 4-5 кгс/см2 снижает на такую же величину рабочее давление над мембранами и вследствие этого производительность.

 
Рис.1 Результаты измерений потерь напора в рулонном элементе в процессе его эксплуатации на речной воде без предварительной обработки (взвешенные вещества 5-10 мг/л, цветность 30 град). 1 - начало; 2 - через 100 ч; 3 - через 200 ч; 4 - через 300 ч; 5 - через 500 ч; 6 - после промывки.

    На рис. 1 показаны результаты ресурсных испытаний стандартных рулонных мембранных элементов (диаметр 100 мм, длина 1000 мм) на речной воде с содержанием взвешенных веществ 5-10 мг/л. Как видно из рисунка, величина прироста потери напора зависит от величины транзитного потока через аппарат. Поэтому для установок, работающих в "суровых" условиях повышенной концентрации взвешенных веществ в исходной воде, выбираются режимы с минимальными расходами концентрата.

    Для удаления взвешенных и коллоидных веществ с мембран производят регулярные кратковременные промывки во время работы установки путем сброса давления при автоматическом открывании магнитного клапана, расположенного на тракте концентрата. При этом резко падает давление в системе, и увеличенный транзитный поток "срывает" с поверхности мембран накопленные частицы осадка. Для стандартного рулонного элемента промывка со сбросом давления позволяет в течение 5 мин удалить до 15 r отложений. Частота и продолжительность таких промывок (1-2 раза в сутки) задаются на реле времени в зависимости от типа и состава исходной воды. Надежность работы автоматизированных мембранных установок обеспечивается подачей ингибитора, регулярными промывками со сбросом давления и регенерационными мероприятиями.

    Лаборатория опреснения и обессоливания воды ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО разработала и изготовила образцы автоматизированных обратноосмотических установок производительностью 0.2-10 м'/ч для обработки артезианских и поверхностных вод. Установки унифицированы и содержат одинаковые элементы мембранного, насосного и дозирующего оборудования.

    В установках используются стандартные рулонные элементы на основе низконапорных композитных обратноосмотических и нанофильтрационных мембран, позволяющих проводить процесс очистки воды при давлении от 1 до 1.6 МПа. Такие элементы выпускаются НПО "Полимерсинтез" (г. Владимир), а также рядом зарубежных фирм.

 
Рис.2. Компоновка обратноосмотической установки "Наяда-2-16" (Q = 2 м3/ч, вариант с многоступенчатым центробежным насосом ЦНС-4/16).

    Для создания рабочего давления в установках предусмотрено использование двух типов насосов: центробежных многоступенчатых типа ЦНС и плунжерных типа 1,1 ПТ производства АО "Гидромаш". Компоновка общих для всех установок технологических узлов представлена на рис. 2. Общий вид установок приведен на рис. 3 и 4.

 
Рис.3, 4. Общий вид обратноосмотической установки "Наяда-1-16" (слева) и "Наяда-2-16" (справа)

    Исходная вода поступает во всасывающий патрубок насоса высокого давления 1, который подает воду в систему распределения обратноосмотических элементов 2, помещенных в напорные корпуса из стеклопластика (мембранные модули). Часть воды, проходя через мембраны, очищается от токсичных примесей, солей и коллоидов (фильтрат) и отводится из аппаратов по фильтратному тракту. Остальная часть воды (концентрат) выводится из аппаратов по сборному коллектору концентрата. Давление в системе регулируется вентилем 3, расположенным на конце концентратного тракта. 

    Для предотвращения образования на поверхности мембран отложений малорастворимых солей (карбоната кальция) в установке предусмотрено автоматизированное дозирование ингибитора. Дозирование ингибитора в исходную воду осуществляется непрерывно эжектором во всасывающую линию насоса. Рабочей водой эжектора является часть сбрасываемого концентрата. Для ингибитора в установке предусмотрены расходные и дозировочные емкости 5 и 6; поступление в последнюю из расходной осуществляется автоматически с помощью датчиков уровня 7 и магнитных клапанов 8. 

    Для частичного удаления накапливающихся на поверхности мембран отложений взвешенных веществ и коллоидного железа в установках предусмотрена также автоматизированная система периодической промывки мембранных модулей. Такая промывка осуществляется путем сброса давления при открывании магнитного клапана 9, расположенного на тракте концентрата. Частота и продолжительность таких промывок задаются при настройке установок по реле времени и зависят от показателей качества исходной воды. 

    Для растворения и удаления с поверхности мембран отложений в установке предусмотрен промывочный контур, состоящий из бака моющего раствора 10, трубопроводов и шаровых клапанов переключения 11. Промывка осуществляется по циркуляционной схеме, исходный раствор из бака 10 насосом 1 прокачивается через мембранные элементы без давления с возвратом концентрата обратно в бак. 

    Отмывка осуществляется специальными растворами органических кислот и ПАВ, позволяющих растворять отложения карбоната кальция, железа и органических веществ.

    Продолжительный опыт эксплуатации обратноосмотических установок на подземных жестких водах с большим содержанием железа и поверхностных водах показал надежность их работы и возможность получения стабильно высокого качества обработанной воды. 

    Лабораторией опреснения и обессоливания воды ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО разработаны эксплуатационные режимы установок: определение объемов моющих растворов, времени отмывки, периодичности промывок, рецептуры моющих растворов.

А. Первов, Ю. Резцов, В. Коптев, С. Милованов

www.newchemistry.ru