Разработка технологических схем предварительной обработки воды перед обратноосмотическими установками

 Обратный осмос и нанофильтрация


31.5 Разработка технологических схем предварительной обработки воды перед обратноосмотическими установками
    С первых шагов внедрения мембранных установок обнаружилась проблема образования на мембранах осадков различных веществ, содержащихся в обрабатываемой воде. Поэтому необходимым условием надежной работы любой мембранной установки является тщательная предочистка, позволяющая предотвратить осадкообразование на мембранах. 
    Основными видами осадков на мембранах являются: 
1) осадки малорастворимых в воде солей (карбонат кальция, сульфат кальция, силикат кальция); 
2) осадки взвешенных и коллоидных веществ (гидроокись железа, частицы глины, ила, коллоидная гидроокись алюминия); 
3) осадки биологического происхождения; 
4) осадки высокомолекулярных органических веществ (гуминовых и фульвокислот, образующих цветность). 
    Кроме того, на композитные и полиамидные мембраны разрушительное действие оказывает свободный хлор. 
    Основной причиной образования осадков малорастворимых солей в аппаратах обратного осмоса является пересыщение раствора, т.е. состояние системы, при котором содержание ионов, образующих соль, превышает пределы растворимости. 
    Пересыщение раствора в процессе обратного осмоса возникает в связи с явлением концентрационной поляризации у поверхности мембраны, а также благодаря концентрированию раствора в аппаратах. 
    В основе механизмов образования коллоидных и органических осадков на мембранах лежат механизмы адгезии частиц к мембране, коагуляции. 
    Биологические загрязнения образуются на мембранах в результате адгезии микроорганизмов к поверхности мембраны. Закрепившись на поверхности, бактерии могут аккумулировать необходимые для их развития питательные вещества, постоянно поступающие с исходной водой. В дальнейшем происходит образование колоний микроорганизмов, что приводит к образованию биопленки – гелеобразному слою из бактерий и продуктов их жизнедеятельности – энзимов, полисахаридов и других веществ. Наличие этого слоя вызывает увеличение уровня концентрационной поляризации у поверхности мембраны, что ведет к снижению селективности и потере производительности. 
    Осадкообразование на мембранах приводит к уменьшению производительности мембран и потере ее селективных свойств. 
    При образовании на поверхности мембраны осадка толщина пограничного слоя увеличивается на высоту слоя осадка, поэтому перенос соли от поверхности мембраны в ядро потока за счет диффузии в таких условиях значительно затрудняется по сравнению с режимом без осадка. Уменьшение селективности происходит за счет увеличения концентрации у поверхности мембраны вследствие развития концентрационной поляризации (рис. 31.8). Увеличение концентрации солей у поверхности мембраны ведет к снижению ее производительности за счет увеличения осмотического давления раствора.




Рис. 31.8. Концентрационный профиль у поверхности обратноосмотической мембраны без осадкообразования (а) и с образованием осадка (б)


    Для удаления загрязнений из воды или предотвращения их образования на мембранах используется ряд технологических процессов и соответствующих аппаратов (сооружений). 
    Технологическая схема предварительной очистки состоит из ряда сооружений, через которые последовательно проходит исходная вода. Основные загрязнения и методы борьбы с ними представлены в табл. 31.1. Кроме того, существует ряд индексов и критериев, по которым оценивается качество исходной воды, поступающей на обратноосмотические установки. 
    Уровень содержания в воде коллоидных и взвешенных веществ определяется индексом плотности осадка, называемым SDI (Silt Density Index). Индекс SDI определяется с помощью специального прибора (рис. 31.9). Значение индекса SDI определяется как отношение времени, за которое профильтруется 500 мл исходной воды через ячейку с микрофильтром с размером пор 0,45 микрона, и времени, за которое то же количество воды профильтруется через ячейку через 15 мин постоянной работы ячейки при постоянном давлении 1 бар. 
    Необходимое значение SDI для воды, поступающей на установку обратного осмоса, устанавливается не более 3. Эксплуатировать системы при значении индекса SDI более 5 не допускается. Индекс SDI не учитывает образование на мембранах осадков малорастворимых в воде солей, а также растворенных органических соединений. 
    Однако индекс SDI благодаря простоте до сих пор остается эффективной экспресс-методикой для контроля коллоидных загрязнений. 
    При высоких значениях мутности и цветности для эффективного ведения процесса коагуляции используют осветлители с взвешенным осадком. Обязательным требованием предочистки является прохождение уже очищенной воды через патронные фильтры с размером пор 5 микрон для улавливания крупных частиц перед поступлением воды в насосы высокого давления и далее – в мембранные аппараты. Коагуляционные методы, как показывает опыт, не всегда дают высокий эффект предочистки в случае обработки поверхности вод с высокой цветностью. На эффективность процесса коагуляции в значительной степени влияют сезонные колебания температуры и состава исходной воды. Проскоки непрокоагулировавших органических загрязнений ведут к образованию на мембранах осадков, которые удаляются с помощью трудоемких химических промывок. Поэтому для предварительной очистки поверхностных вод перед подачей на установки обратного осмоса в современных технологических схемах используются системы ультрафильтрации.







Рис. 31.9. Прибор для измерения индекса плотности осадка (SDI)


    Из солей, плохо растворимых в воде, наиболее для мембран опасны (в порядке возрастания): карбонат кальция, сульфат кальция, силикатные осадки, сульфат бария, сульфат стронция, фторид кальция. Карбонат кальция – наиболее часто встречающийся в практике обратного осмоса тип осадка. Концентрация карбоната кальция, двуокиси углерода, кальций-иона и бикарбонат-иона связана следующим уравнением:


Выпадение карбоната кальция происходит при превышении концентраций ионов кальция и бикарбонат-ионов, снижение концентрации двуокиси углерода, а также при увеличении значений рН.     Наиболее признанной вплоть до настоящего времени методикой оценки потенциальной возможности выпадения осадка карбоната кальция, в том числе и при обратноосмотическом опреснении воды, считается оценка по индексу Ланжелье:


где рНs – значение рН насыщенной по карбонату кальция воды (может определяться по методике и номограмме на рис 16.1 в зависимости от значений солесодержания, жесткости, щелочности, рН и температуры воды).    Условие безопасной работы обратноосмотической установки определяется значением индекса Ланжелье концентрата. Если значение индекса Ланжелье концентрата положительное, то имеется опасность образования на мембранах осадка карбоната кальция. 
    Предотвращение образования карбоната кальция на мембранах включает следующие мероприятия: 
1. Снижение содержания бикарбонат-иона с помощью дозирования кислоты в исходную воду. 
2. Снижение концентраций кальций-иона с помощью умягчения исходной воды – ионообменного или реагентного. 
3. Использование ингибирующих веществ, дозируемых в исходную воду и уменьшающих интенсивность образования осадка карбоната кальция. 
    Выбор методов предотвращения карбонатных отложений часто зависит от типа и материала мембран, а также определяется экономическими соображениями. 
    При расчетах величина щелочности сконцентрированной предварительно подкисленной воды принимается равной ее величине на входе в аппарат, помноженной на кратность концентрирования. В случае использования в установках ацетатных мембран требуется поддерживать значение рН исходной воды на уровне 5,5–6 (чтобы снизить опасность гидролиза – разрушения структуры мембран в воде). Поэтому все установки с ацетатными мембранами используют подкисление исходной воды серной кислотой. Доза кислоты обычно составляет 50–150 мг/л. 
    Другой вид осадков малорастворимых в воде солей – сульфат кальция (гипс) представляет серьезную проблему при опреснении соленых вод с высоким содержанием сульфат-ионов. Основным требованием по предотвращению образования осадка сульфата кальция является непревышение пределов растворимости по сульфату кальция в концентрате установок. 
    Условия невыпадения осадка сульфата кальция – «степень насыщения» концентрата по сульфату кальция, соответствующая квадрату значения кратности концентрирования исходной воды в аппарате, определяется уравнением



    Как уже говорилось, существующие конструкции обратноосмотических аппаратов могут обладать рядом несовершенств (в частности, застойными зонами), влияние которых на опасность зарождения осадка оказывается намного значительнее, чем расхождения в точностях вычисления растворимостей гипса и карбоната кальция по различным методикам. 
    Описанные выше технологии предотвращения осадков малорастворимых в воде солей, основанные на подкислении воды и ее умягчении, требуют достаточно высоких затрат, как капитальных, так и эксплуатационных. В настоящее время проблема таких осадков решается с помощью дозирования в исходную воду ингибиторов – органических полимеров, присутствие которых в исходной воде замедляет процесс образования отложений. 
    Ингибиторы дозируются в очень малых количествах – от 3 до 10 мг на 1 литр исходной воды, при этом дают очень высокий эффект замедления образования осадка. При этом срок непрерывной эксплуатации мембранных установок составляет 500–2000 часов. По истечении этого срока необходимо провести химическую регенерацию мембран, заключающуюся в растворении отложений специальными растворами. 
    В настоящее время разработан целый ряд ингибиторов, эффективных для обратноосмотических установок. Продолжаются работы по синтезу новых ингибиторов, их подбору и испытаниям. 
    Основные распространенные классы ингибирующих веществ – это полифосфаты, полимеры на основе акриловой кислоты (полиакрилаты), поликарбоксилаты, фосфонаты (полимеры на основе фосфорной кислоты и ее солей), смеси поликарбоксилатов и фосфонатов, а также сополимеры сульфоновой и акриловой кислоты. 
    На ингибирующую способность влияет состав функциональных групп (например, у полиакриловой кислоты карбоксильные группы заменены на амино-гидроксильные, сульфонатные, соли малеиновой кислоты и др.). 
    Механизм действия ингибиторов основан на адсорбции полимера на поверхности и «подавлении» ингибитором активных точек роста кристаллической решетки, замедляя рост кристаллов. Любой процесс кристаллизации состоит из двух фаз: фаза образования зародышей кристаллов из пересыщенных растворов и фаза кристаллического роста. Присутствие ингибитора в исходной воде снижает скорость образования зародышей и скорость их дальнейшего роста.

31.1. Теоретические основы процесса
31.3. Мембраны для обратного осмоса
31.4. Типы мембранных аппаратов и их конструкций
31.5. Разработка технологических схем предварительно
обработки воды перед обратноосмотическими
установками
31.6. Конструирование установок обратного осмоса
31.7. Технологические расчеты мембранных систем
31.8. Современные технологические схемы мембранных
установок