МЕМБРАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ – РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОСВЕТЛЁННОЙ ВОДЫ НУЖНОГО КАЧЕСТВА

Авторы: Солодянников В.В., Васильев В.В., Беляков Д. В., Цабилев О.В.

Очистка природной воды в большинстве случаев решает задачи умягчения, частичного, глубокого или полного химического обессоливания [1].

Принципиально технологии получения очищенной воды делятся на две последовательные ступени:

1. Предварительную очистку воды, целью которой является удаление веществ, включая коллоидные и органические соединения, блокирующие активные центры деминерализации водоподготовительных установок.
2. Снижение концентрации веществ, находящихся в диссоциированном состоянии, до требуемого условиями применения уровня.

В традиционно применяемых в энергетике технологиях ступень предварительной очистки можно разделить на два последовательных этапа:

• на обработку воды реагентами и удаление методом осаждения загрязняющих воду веществ в осветлителях;
• механическую доочистку методом фильтрации через мелкозернистые материалы.

Вторая ступень чаще всего основана на закономерностях ионного обмена или баромембранных сепарационных процессах. Баромембранные процессы активно стали осваиваться в последнее время.

Сегодня на отечественном рынке представлен широкий спектр дорогостоящих ионообменных материалов и разделительных мембран. Однако все они весьма чувствительны к содержанию веществ, способных блокировать активные ионообменные группы и поры, разрушать матрицу ионитов и структуру мембран.

Каждая фирма-изготовитель ионообменных материалов и разделительных мембран устанавливает перечень примесей, концентрации которых допустимы в ограниченных пределах. К ним относятся загрязняющие вещества, привнесённые с исходной водой и загрязняющие вещества, образовавшиеся в процессе эксплуатации [2].

Если образование второй группы веществ обусловлено особенностями применяемой технологической схемы водоподготовки и предотвращение их появлению определяется лишь правильным подбором материалов с нужной характеристикой, то вещества первой группы требуют специальных технологий предварительной очистки.

В большинстве случаев традиционные технологии ступени предочистки эти требования не обеспечивают даже при осуществлении дорогостоящих реконструкций осветлителей и фильтров механической фильтрации. В результате компании, приобретающие иониты и разделительные мембраны тонкой очистки, не достигают необходимого им технологического и экономического эффектов.

Качество осветлённой воды может быть повышено, а технологические недостатки существующих предочисток устранены включением в схемы очистки мембранных технологий [3, 4].

С целью определения технической возможности и эффективности применения ультрафильтрации в комбинации с существующим оборудованием ступеней предварительной очистки воды перед обессоливающей установкой выполнены исследования на Новокуйбышевской ТЭЦ-2.

Для проведения исследований была спроектирована, изготовлена и смонтирована в цехе ХВО опытно-экспериментальная исследовательская установка на базе установки ультрафильтрации УМФ (У)-120 ТУ 4859-004-48147451-2004 (разработчик и изготовитель ООО «СВТ»).

Технологическая схема опытно-промышленной исследовательской (ОППИ) установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Технологическая схема ультрафильтрационной опытно-промышленной установки.

Максимальная расчетная производительность установки при одновременной параллельной работе двух мембранных модулей – до 5,0 м3/час.

В состав пилотной установки входят два ультрафильтрационных мембранных модуля с мембранами производства компании NORIT X-Flow, размещённые в двух стандартных 8-ми дюймовых мембранных корпусах. Диаметр мембраны 200 мм, длина 1527,5 мм. Внутренний диаметр капилляров из полисульфона, размещённых в мембране, равен 1,5 мм. Один из мембранных модулей установлен горизонтально (технология Xiga), второй мембранный модуль установлен вертикально (технология Aquaflex).

В состав установки также включен скорый механический фильтр, с высотой загрузки 900 – 1000 мм, для предварительной очистки воды перед установкой ультрафильтрации. В процессе экспериментов применялось два вида фильтрующей загрузки. Первый вид - антрацитовая крошка фракционного состава 2?4 мм традиционно применяемая в цехах ХВО электростанций. Второй - кварцевый песок фракционного состава 0,7-1,2 мм.

Мутность воды измерялась промышленным мутномером «Hach sc 100tm» с датчиками мутности «ULTRATURB plus sc» (для высокой мутности) и «1720E» (для низкой мутности).

Расходы воды измерялись при помощи электронных расходомеров с роторными датчиками и водосчетчиков с импульсными выходами. Визуальный контроль расходов воды осуществлялся при помощи ротаметров.

Также непрерывно вёлся контроль перепадов давления при работе мембранных модулей, которые определялись как разница среднего значения давления исходной воды на «грязной» стороне мембраны и давления очищенной воды на «чистой» стороне мембраны.

Показания мутномера, расходомеров, датчиков давления непрерывно регистрировались и записывались в электронном виде.

Периодически осуществлялся лабораторный контроль следующих показателей качества исходной и обработанной воды: рН, перманганатная окисляемость (п/о), содержание хлоридов, алюминия, железа, соединений кремниевой кислоты в пересчёте на SiO₂.

Исходной водой Новокуйбышевской ТЭЦ-2 служит вода Саратовского водохранилища. Качественные показатели приведены в таблице 1.

Таблица 1

Показатели качества исходной воды и воды получаемой при использовании существующей схемы без механической фильтрации (и без применения мембранных технологий)

Предварительная очистка на ТЭЦ в настоящее время производится методом осаждения в осветлителях типа МПС с последующей доочисткой в скоростных механических фильтрах, загруженных антрацитовой крошкой фракции 2,0?4,0 мм и высотой загрузки 1000 мм. В качестве реагентов применяется железный купорос и известь.

Так же проведены эксперименты по изучению возможности осветления с применением коагулянта ПОХА (полиоксихлорида алюминия) и флокулянта.

Качественные показатели осветленной воды, измеренные до механической фильтрации, получаемой различными способами, приведены в таблице 1.

Как видно из таблицы:

• осветлённая известкованная вода имеет высокую щёлочность, рН, содержание взвешенных веществ, железа, окисляемость. Она нестабильна по карбонату кальция и гидрату окиси магния.
• осветлённая вода с применением ПОХА имеет высокое содержание остаточного алюминия, взвешенных веществ, железа, окисляемость.

Целью проводимых экспериментов было определение возможности получения осветлённой воды с применением мембранных технологий с мутностью не выше 0,1 ед. ЕМФ, что соответствует концентрации взвешенных близкой нулю, перманганатной окисляемости не более 4 мгО2/дм3, концентрации общего железа и алюминия не более 0,2 мг/дм3 в условиях работы предочистки с исходной водой бассейна Средней Волги.

В процессе выполнения работ был проведен ряд экспериментов по определению оптимального места в технологической схеме предочистки процесса ультрафильтрации, которые условно можно разделить на следующие группы:

I - очистка исходной воды путём осветления в осветлителе с применением ПОХА и флокулянта, предварительной механической фильтрации (в качестве загрузки применялся как антрацит, так и кварцевый песок) и последующей ультрафильтрацией;

II - очистка исходной воды путём осветления в осветлителе с применением ПОХА и флокулянта с последующей ультрафильтрацией;

III - очистка исходной воды путём предварительной механической фильтрации (фильтрующая среда – кварцевый песок) с введением ПОХА и флокулянта с последующей ультрафильтрацией;

IV - очистка исходной воды только с применением способа ультрафильтрации с введением ПОХА непосредственно перед мембранными модулями;

V - очистка исходной воды путём осветления с применением известкования и коагулянта - сернокислого железа, предварительной механической фильтрации (загрузка - кварцевый песок) и последующей ультрафильтрацией.

В некоторых экспериментах производилось дополнительное дозирование ПОХА в исходную воду перед ультрафильтрационными модулями.

В ходе выполнения исследований была произведена оценка работы скорого механического фильтра с использованием антрацита и кварцевого песка.

Результаты изменения «мутности» представлены на рис.2.

a)

б)

Рис. 2. Мутность воды после механического фильтра.

а) - загруженного антрацитом

б) - загруженного кварцевым песком.

Полученные результаты показывают, что работа механических фильтров с антрацитовой загрузкой по показателю «мутность» крайне не эффективна, а качество фильтрата нестабильно. Эффект очистки в среднем близок к 0%. На графике «Количество удалённой примеси в % от исходного содержания» (см. рис. 2а) отрицательные величины указывают на то, что в фильтрат даже поступают примеси, задержанные ранее фильтром.

В то же время, эффект очистки воды при работе механических фильтров, загруженных кварцевым песком (см. рис. 2б) с фракцией 0,7?1,2 мм, в среднем близок к 70%. Однако мутность все же оставалась достаточно высокой и равнялась в среднем 1 ед. ЕМФ. Кроме того, качество осветлённой воды не стабильно и изменялось в достаточно широком диапазоне – от 0,5 до 1,5 ед. ЕМФ.

Таким образом, результаты проведённых испытаний показывают, что для повышения качества осветлённой воды необходима её доочистка. В качестве ступени доочистки была применена ультрафильтрация.

Во всех экспериментах мутность очищенной методом ультрафильтрации воды практически не зависела от типа и дозы применяемых реагентов, технологии предварительной очистки исходной воды или вовсе её отсутствия, производительности установки, мутности исходной воды на входе в установку и оставалась на стабильно низком уровне в течение всего фильтроцикла. На протяжении всех экспериментальных работ мутность очищенной воды не превышала 0,1ед. ЕМФ. В качестве примера на рис. 3. приведён график эффективности работы установки ультрафильтрации по показателю «мутность» для исходной воды, мутность которой была на уровне 40 ед. ЕМФ.

Также был проведен ряд экспериментов по исследованию возможности доочистки воды методом ультрафильтрации после проведения предварительного известкования, коагуляции железным купоросом, осветления и фильтрации на скором механическом фильтре, загруженным кварцевым песком (V-я группа экспериментов). Данные эксперименты показали, что в процессе работы происходит очень быстрое забивание пор ультрафильтрационной мембраны карбонатными отложениями. В течение первых фильтроциклов продолжительностью 5 мин перепад давления превышал 1 bar, что говорит о нестабильности исходной воды по карбонату кальция и гидрату окиси магния. Простая обратная промывка загрязненных мембранных модулей не приводила к восстановлению фильтрующей способности мембранных модулей. Восстановить расчетные характеристики мембран удавалось только проведением усиленной химической промывки с применением соляной кислоты. Для снижения роста перепада давления был также проведен ряд экспериментов с предварительным дополнительным подкислением исходной воды перед мембранными модулями. При этом предотвратить быстрый рост перепада давления удавалось, только вводя большие дозы кислоты, поддерживая рН исходной воды на уровне 4. Значения рН фильтрата при этом составляли 7 - 8 ед.

Рис. 3. Мутность воды после установки ультрафильтрации.

В процессе проведения экспериментов отключение модулей на регенерацию производилось по времени или по перепаду давления.

Таким образом, перепады давления при заданной производительности установки могут быть представлены в виде графика, изображённого на рис.4, где в качестве примера показана работа установки при выполнении второй группы экспериментов. Детально данный график представлен на рис. 5. (периодичность записи показаний давления и расходов – 30 сек).

При проведении экспериментов обнаружилось отличие в технологических характеристиках мембранных элементов в зависимости от их положения (вертикального или горизонтального). При одинаковых условиях эксплуатации на вертикальном модуле отмечалось более низкий перепад давления и более длительные фильтроциклы.

При проведении экспериментов обнаружилось отличие в технологических характеристиках мембранных элементов в зависимости от их положения (вертикального или горизонтального). При одинаковых условиях эксплуатации на вертикальном модуле отмечалось более низкий перепад давления и более длительные фильтроциклы.

Расчет количества воды, затраченного на собственные нужды по каждому эксперименту, проводился по анализу интегрального графика выработки воды. Пример такого графика, при выполнении второй группы экспериментов, приведён на рис. 6. Количество воды, затраченное на собственные нужды при исследовании метода ультрафильтрации, в зависимости от условий экспериментов и качества воды перед установкой, для различных групп составляло от 7 до 40 %.

Рис. 4. График работы ультрафильтрационных модулей (работа и регенерация).

Рис. 5. Увеличенный график перепада давления при последовательной работе вертикально (жирная линия) и горизонтально (тонкая линия) расположенного модуля

Рис. 6. Интегральный график выработки воды.

Качество исходной и очищенной воды по разным группам экспериментов сведено в таблицу 2.

Таблица 2

Показатели качества исходной воды и фильтрата установки ультрафильтрации

Из таблицы видно, что средние значения снижения лимитированных показателей качества с применением ультрафильтрационного метода доочистки осветлённой воды по всем испытанным технологиям составили: по алюминию на 84,4%, по железу на 32,2%, по анионам кремниевой кислоты на 12,4%, по перманганатной окисляемости на 10,3%. Все анализируемые показатели находились в пределах ожидаемых значений.

1. Существующие технологии получения осветлённой воды не обеспечивают её необходимого качества и требуют доочистки с применением мембранных технологий.
2. Лучшие результаты позволяет получить следующая схема: осветление в осветлителях с применением коагуляции ПОХА и флокуляции - механическая фильтрация в скоростных фильтрах, загруженных кварцевым песком фракционного состава 0,7?1,2 мм - доочистка на ультрафильтрационной установке. При этом, образующийся концентрат может утилизироваться (повторно использоваться) вместе с отмывочной водой механических фильтров в осветлителях.
3. 1.Допустим вариант с предварительной очисткой в осветлителях и исключением фильтров механической очистки перед ультрафильтрацией.
4. 1.Допустим вариант без осветлителей с применением предварительной очистки перед ультрафильтрацией в механических фильтрах, загруженных кварцевым песком.
5. Доочистка осветлённой воды, полученной с применением известкования даже с использованием скоростных механических фильтров, значительно усложняет технологию доочистки ультрафильтрацией, дополняя схему узлом подкисления, и значительно увеличивает содержание анионов сильных кислот за счёт повышения концентрации хлоридов.
6. Недопустимо применение скоростных фильтров, загруженных антрацитовой крошкой с фракционным составом выше 2 мм.

Литература.

1. Ф.Г. Прохоров. Руководящие указания по химическому обессоливанию воды. М. Госэнергоиздат. 1957.
2. В.В. Солодянников. Расчёт и математическое моделирование процессов водоподготовки. М. Энергоатомиздат. 2003.
3. А.Г. Первов, Е.Б. Юрчевский. Использование мембранных технологий в системах водоподготовки энергетических объектов.//Энергосбережение и водоподготовка, 2005, №5.- с. 10-14.
4. Е.Б. Юрчевский, А.Г. Первов, А.П. Андрианов. Изучение процесса формирования осадков взвешенных, коллоидных, органических и кристаллических веществ на поверхности мембран и пути увеличения срока работы мембранных систем до химической промывки.// Энергосбережение и водоподготовка, 2006, №3.- с. 3-6.