Нанофільтрація в практиці кондиціонування артезіанських вод

Ігор В. Прігун,
головний технолог ТОВ «Екодар-Л»

За винятком особливо екзотичних випадків, основними джерелами водопостачання на терріторііУкаіни є поверхневі води (річки, озера і т. П.) І артезіанські водоносні горизонти. При цьому, на відміну від муніципального господарсько-питного водопостачання, в практиці промислової водопідготовки найбільш поширене застосування саме артезіанських вод. Це обумовлено цілою низкою чинників, в т. Ч. Доступністю незалежно від місця розташування підприємства, порівняльної легкістю водозабору, відсутністю сезонних коливань хімічного складу води і т. Д.

Найбільш часто за рамки технологічно допустимих значень у артезіанських вод виходять следующіепоказателі хімічного складу:

Що стосується знезалізнення і деманганации, то дані процеси добре вивчені і відпрацьовані на величезній кількості виробництв як на терріторііУкаіни, так і за її межами. В даний час існує ряд високоефективних методів глибокого реагентного і каталітичного окислення розчинених заліза і марганцю з подальшим затриманням утворюються пластівців оксидів цих речовин, тому особливої ​​складності дана задача не представляє.

Інша справа - коригування жорсткості, лужності і солевмісту вихідної води - т. Зв. «Кондиціонування». Реагентне (вапняно-содове) пом'якшення по ряду причин для обробки артезіанських вод малоефективно, тому до середини 80-х років ХХ-го століття практично єдиним доступним методом промислової водопідготовки для кондиціонування був іонний обмін. У цьому процесі вихідна вода фільтрується через шар ионообменного матеріалу, при цьому відбувається взаємний обмін іонів, присутніх у вихідній воді, на іони активних груп самого матеріалу згідно з відповідним ряду селективності.

Найбільш масове застосування знайшов варіант реалізації іонного обміну методом натрій-катионирования на сильнокислотних іонообмінних смолах - т. Зв. «Класичне пом'якшення». Ряд селективності для смол цього типу виглядає наступним чином:

літій <Натрий <Калий≈Аммоний <Магний <Цинк <Кальций <Стронций <Барий

У вихідній формі катіонообменная смола насичена іонами натрію, які, згідно з рядом селективності, замінюють містяться в що проходить через її шар воді іони жорсткості. Після вичерпання обмінної ємності матеріал регенерується - промивається концентрованим розчином кухонної солі, що ініціює зворотний процес і відновлення її іонообмінних властивостей.

Головною проблемою іонного обміну є регенерація смол і пов'язаний з цим витрата реагентів. Так, наприклад, витрати кухонної солі на регенерацію одного літра катіонообменной смоли при натрій-катіонірованіе становлять 110 - 150 м З огляду на робочу обмінну ємність сучасних сильнокислотних катіонообменних матеріалів, це означає, що наприклад, при водоспоживання 1000 м 3 / добу і зниженні величини жорсткості з 10 мг-екв / л до 5 мг-екв / л, витрата кухонної солі складе 550 - 750 кг / добу. При цьому необхідно організувати умови для приготування насиченого розчину, його подачу в витратні баки, відведення високосолених промивних вод і вирішити ряд інших проблем. У разі водень-катионирования ситуація ще більш ускладнюється, оскільки до експлуатаційних витрат на реагенти додадуться всі проблеми хімічних виробництв - необхідність зберігання та роботи з агресивними реагентами, організація систем нейтралізації кислотних стічних вод і т.д. і т.п. Навіть якщо вдається вирішити проблему відведення стоків, величина експлуатаційних витрат може вийти така, що підприємство виявиться економічно недоцільно. Природно, з ростом вмісту солі вихідної води ймовірність такого результату різко підвищується.

Сучасною альтернативою іонообмінним технологій є мембранні методи знесолення, при яких вихідна вода під тиском пропускається через спеціальну напівпроникну мембрану, що володіє певною селективністю по відношенню до присутніх в воді речовин. При цьому вихідна вода ділиться на два потоки - пермеат (очищена) і концентрат (стік).

Таблиця 1. Порівняльні характеристики баромембранного методів водопідготовки.

Розмір видаляються частинок, А О (10 -4 мкм)

Зважені речовини, мікроорганізми, органічні розчинені речовини, 90-95% розчинених неорганічних речовин

Спектр баромембранного методів водопідготовки досить різноманітний, але тільки нанофільтрація і зворотний осмос придатні для зниження жорсткості, лужності і солевмісту (див. Табл.1). В принципі, на сучасному етапі розвитку мембранних технологій межа між нанофільтраціонние і зворотноосмотичної поділом практично зникла. У сучасному розумінні нанофільтрація - це процес низьконапірного обратноосмотічеського поділу, здійснюваний на мембранних елементах зі зниженою, особливо по відношенню до одновалентним іонів (натрій, калій, амоній, хлориди), селективність. Так, наприклад ступінь вилучення з води хлористого кальцію складе для нанофільтраційних систем 75 - 85%, хлориду натрію - 50 - 65% (в залежності від виробника і умов застосування), в той час, як для обратноосмотічеського процесу ці величини рівні 98,0 - 99,8%. Але в цілому, апаратне оформлення нанофільтраційних і обратноосмотічеськіх установок практично ідентично.

Мембранне знесолення має низку незаперечних переваг у порівнянні з іонообмінними методами, в т.ч. зниження кількості використовуваних реагентів в 20 і більше разів, відмова від кислотно-лужних господарств, безпеку утворюються стічних вод, значне зменшення займаних площ - все це веде до зниження експлуатаційних витрат на 70% і навіть більше. Але, на жаль, капітальні витрати на подібні системи значно вище, що збільшує терміни окупності, тому при можливості вибору з двох методів слід керуватися економічною доцільністю. У загальному випадку, при солевмісті вихідної води менше 200 мг / л перевага у іонообмінних методів, від 200 до 600 мг / л потрібен окремий техніко-економічний розрахунок, а при солевмісті вихідної води понад 600 мг / л незаперечну перевагу мають мембранні технології. З іншого боку, саме для слабосоленим вод кондиціювання, як правило, і не потрібно, тому не дивно, що популярність і поширення мембранних методів в промислової водопідготовки постійно зростає.

Значну частину вартості систем мембранного знесолення складають безпосередньо мембранні елементи, термін служби яких обмежений, тому для зниження витрат необхідно подбати про певну підготовку вихідної води - видалити зважені речовини, залізо, сильні окислювачі і нафтопродукти. Для зниження швидкості утворення відкладень в воду дозують спеціальні речовини - інгібітори. Проте, з часом поверхня мембран забруднюється відкладеннями містяться у воді солей жорсткості, залишкового заліза, кремнієвих з'єднань і органічних речовин. Для очищення мембранних елементів проводиться хімічне промивання слабкими розчинами лимонної кислоти, тринатрійфосфату, і ін. Реагентів. Ця процедура дозволяє видалити відкладення з поверхні мембран, однак є небезпечною для полімерного матеріалу, з якого вони виготовлені, що призводить до поступового погіршення його робочих характеристик. При нормальному режимі роботи періодичність проведення хімічних промивок для установок безперервної експлуатації не повинна перевищувати шести разів на рік, що в цілому гарантує термін служби мембранних елементів не менше 3 років. При зворотноосмотичної обессоливании вод з високою жорсткістю це не завжди можна досягти, і в такому випадку рекомендується використання нанофільтрації.

Чи не найголовніша позитивна особливість нанофільтраційних мембранних елементів - це можливість експлуатації на водах з високим значенням жорсткості. Це дозволяє, зберігаючи щадний режим періодичності хімічних промивок мембранних елементів, значно спростити стадію попередньої підготовки води. У той час, як для стабільної та тривалої роботи обратноосмотічеськіх елементів вкрай бажано дотримуватися значення жорсткості вихідної води не більше 4,0-5,0 мг-екв / л, то в практиці використання нанофільтрації є установки, успішно експлуатуються на протязі ряду років на воді з величиною жорсткості 15 мг-екв / л і вище.

З досвіду роботи з різними споживачами, при очищенні вод із значенням жорсткості більше 10,0 мг-екв / л нанофільтрація є кращим, а часто і єдино можливим методом. У таблиці 2 наведено приклад типового результату обробки води, де оптимальним методом очищення є нанофільтрація. Класичне пом'якшення методом натрій-катионирования в цьому випадку було непридатне, т. К. Даний метод не вирішує завдання зниження солевмісту, а при пом'якшенні до величини жорсткості 7,0 мг-екв / л у воді будуть перевищені нормативні параметри із натрію. Додатково система була оснащена байпасній лінією, що дозволяє, підмішуючи до пермеату вихідну воду, регулювати жорсткість очищеної води в межах питних норм - від 1,5-2,0 мг-екв / л до 6,5-7,0 мг-екв / л. Крім зниження витрат реагентів, такий варіант виконання дозволяє підібрати оптимальний режим експлуатації в умовах максимального водоспоживання.

Таблиця 2. Експлуатаційні показники установки нанофильтрації лінії господарсько-питного водопостачання підприємства, продуктивність по пермеату 14,0 м3 / год, робочий тиск 9 бар.

Таблиця 3. Експлуатаційні показники установки нанофильтрації лінії підготовки води для розливу. продуктивність по пермеату 4,0 м3 / год, робочий тиск 7 бар.

Продукт (з підмішуванням)

Жорсткість загальна, мг-екв / л

Ще один варіант використання нанофільтрації - в системах одержання особливо чистої води в якості першого ступеня очищення перед високоселективним зворотноосмотичної обессоливанием. Такі системи знаходять своє застосування в медицині, важкої енергетиці, мікроелектроніці, хімічних виробництвах і т.п.

При використанні нанофильтрації існує ряд специфічних особливостей, які необхідно враховувати як при проектуванні, так і при обслуговуванні подібних установок. Головне - це надзвичайно високі значення твердості і солевмісту в концентраті. Наприклад, в наведеному вище прикладі (табл.№2) концентрат пересичений по сульфату кальцію до рівня 147% від граничної розчинності цієї речовини при нормальних умовах. Відповідно, необхідний ряд заходів щодо запобігання випадання карбонатно-кальцієвих і сульфатно-кальцієвих опадів в кормовому тракті, в т.ч. забезпечення досить високих швидкостей потоку (не менше 2,5 м / сек), відсутність застійних ділянок, а в деяких випадках - і додаткова реагентному або магнітна обробка. Крім того, підвищуються вимоги до корозійної стійкості - труби, фітинги, запірна арматура та інші елементи установок нанофильтрації по можливості повинні бути виконані з нержавіючої сталі або пластикових матеріалів.

Інший момент, який випливає з цієї ж особливості - це абсолютна неприпустимість експлуатації нанофільтраційних установок без пригнічення вихідної води. Правильний вибір типу інгібітора і його дозування також має дуже важливе значення. Якщо в класичних обратноосмотічеськіх системах короткий перерву в постачанні інгібітором не робить значного впливу на роботу установки, то при нанофильтрації відбудеться різке відкладення солей на поверхні мембранних елементів, що. в результаті, призводить до повної їх блокування. При цьому час з моменту припинення інгібування до неможливості подальшої експлуатації може становити всього кілька годин, а повністю відновити робочі характеристики вдається не завжди.

По-третє, необхідно приділяти особливу увагу запобіганню мікробіологічного забруднення робочої поверхні мембранних елементів. У обратноосмотічеськіх системах для цієї мети, як правило, використовується попереднє УФ-знезараження вихідної води. При обробці вод з високою жорсткістю даний метод не цілком застосуємо, оскільки швидке забруднення поверхні кожухів УФ-елементів солями жорсткості призводить до необхідності їх частого промивання, що тягне за собою додаткові складності в експлуатації. Деяке поліпшення ситуації може дати застосування установок УФ-знезараження з кавітаційним (ультразвуковим) блоком, але тільки в тому випадку, якщо вихідна вода досить безпечна в мікробіологічному відношенні і функція знезараження в основному профілактична. Якщо ж вихідна вода має виражений мікробіологічне забруднення, настійно рекомендується реагентне знезараження (введення гіпохлориту натрію, озонування тощо) з подальшим видаленням надлишку обеззараживающего агента (наприклад, на активованому вугіллі або введенням восстановителей типу бисульфита натрію). Це ускладнює експлуатацію, але є необхідним заходом, тому що процес дезінфекції мембранних елементів складний і вимагає скрупульозної точності проведення, в іншому випадку можливо необоротне руйнування робочої поверхні мембран.

В даний час технології нанофільтрації вже досить випробувані, щоб впевнено тіснити в лініях промислової водопідготовки свого «старшого брата» - метод обратноосмотічеського знесолення. Доступний широкий спектр відповідних мембранних елементів, накопичений значний досвід проектування, виготовлення і реальної експлуатації нанофільтраційних установок. І хоча, звичайно, нанофільтрація - це не панацея від усіх хвороб, але своє завдання вона виконує на «відмінно».