Совершенствование систем очистки поверхностной воды
Опубликовано: 24 июня 2010 г.
791
А. Первов, А. Андрианов, E. Юрчевский
Использование мембранных технологий в энергетике позволяет значительно (на порядок) сократить использование химических реактивов (кислот, щелочей, поваренной соли), традиционно сопутствующих существующему методу ионного обмена, а также уменьшить сброс солей в окружающую среду. Мембранные технологии очень эффективны для удаления не только растворенных солей, но и органических, коллоидных и других загрязнений (например, силикатов), которые составляют проблему при традиционной обработке воды. В настоящее время на отечественных энергетических объектах (ТЭЦ, ГРЭС) работают свыше десяти систем обратного осмоса производительностью от 50 до 166 м3/ч, а также системы ультрафильтрации, применяемые в целях предочистки.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Обратный осмос – развивающаяся технология
При поверхностном ознакомлении с тематикой обратного осмоса кажется, что все технологии уже разработаны и большинство проблем решено. Так, в 1984–1985 гг. были начаты работы по изучению возможности применения обратного осмоса на ТЭЦ во ВНИИАМе. Открытие соответствующей лаборатории было связано с надеждой на использование преимуществ обратного осмоса перед ионным обменом, к которым относятся отсутствие реагентов и солевых стоков, компактность, простота эксплуатации и т.д. Информация об успехах применения этого метода за рубежом, существующих программах расчета установок, новых мембранных материалах, отработанных схемах предочистки вселяла оптимизм и уверенность в успехе. Через несколько лет началось применение обратного осмоса на отечественных объектах.
При достаточно высоких затратах на реализацию обратный осмос находит применение благодаря следующим достоинствам его использования:
• обеспечивается глубокое удаление не только солей, но и силикатов, органических загрязнений;
• уменьшаются (на 90 % и более) количество реагентов (кислот, щелочей) и, соответственно, объем реагентного хозяйства (что особенно важно при обработке воды с высоким значением солесодержания);
• при реконструкции сооружений сокращаются сроки поставки, монтажа, пуска (благодаря малым габаритам и весу установок).
Следует также учитывать тенденцию к росту в ближайшем будущем стоимости реагентов, а также увеличение штрафных санкций за сброс солевых стоков, что значительно повысит экономический эффект от применения мембран. Однако, ввиду высокой стоимости мембран, всегда поднимался вопрос о границах применимости обратного осмоса и его экономической эффективности по сравнению с методом ионного обмена.
В разное время различные исследователи по-разному оценивали область применения мембран. Результаты оценок во многом зависят от принятых стоимостных показателей.
Главное влияние на величину экономического эффекта оказывает не стоимость реагентов, а амортизационные отчисления и необходимость обработки и подогрева большего количества исходной воды в случае обратного осмоса. При увеличении общего солесодержания затраты на реагенты существенно повышают экономический эффект (рис. 1).
Анализ зарубежного опыта показывает, что технология обратного осмоса непрерывно совершенствуется: появляются новые материалы, реагенты, технологии предочистки (микро- и ультрафильтрация). Тем не менее, зная историю развития этого метода, следует отдавать себе отчет в том, что кажущиеся на сегодняшний день самыми перспективными и эффективными технологии еще далеки от совершенства и в ближайшее время могут быть вытеснены более современными.
Имея исследовательский опыт и наблюдая развитие этого метода в последние 30 лет, авторы этой статьи хотели бы поделиться своим взглядом на тенденции, по которым развивается сейчас технология обратного осмоса и его неотъемлемое направление – разработка систем предочистки.
Большинство отечественных ТЭЦ используют поверхностные воды, содержащие взвешенные, коллоидные и органические вещества. Ввиду «капризности» установок обратного осмоса и их чувствительности к качеству исходной воды особый интерес представляет технология предочистки.
Технологические схемы предочистки на большинстве ТЭЦ состоят из сооружений по осветлению воды (осветлителей) и предотвращению осаждения солей жесткости (Na-катионитовые фильтров).
На ряде объектов (ТЭЦ-23 Мосэнерго, Новочеркасская ГРЭС) для предотвращения карбонатных отложений используют дозирование ингибиторов (антискалантов) отечественного и зарубежного производства. Для осветления воды на трех станциях (ТЭЦ-9 Мосэнерго, Новочеркасская ГРЭС, Заинская ГРЭС) применяют новую технологию ультрафильтрации. Хотя внедрение обратного осмоса в отечественной энергетике началось с 1985 г., до сих пор среди специалистов нет выработанной позиции по выбору оптимальной для каждого случая схемы очистки. При выборе технологии часто используют противоречивые и немотивированные подходы, приводящие к нежелательным результатам. Можно сказать, что отечественные объекты энергетики напоминают испытательный полигон новых технологий, где модели установок и проблемы их эксплуатации предстают «в натуральную величину».
Оценка решений и пути снижения затрат
Для объективного сравнения различных технологических схем водоподготовки (глубокого обессоливания) с применением технологий обратного осмоса и ионного обмена авторами этой статьи рассмотрены следующие технологические решения:
• традиционное двухступенчатое обессоливание на ионитных фильтрах с прямой регенерацией;
• одноступенчатое обессоливание на противоточных фильтрах по принципу АПКОРЕ;
• очистка воды на установке обратного осмоса с предварительным умягчением на Na-катионитовых фильтрах и дообессоливанием на H-OH ионитных фильтрах;
• очистка воды на установке обратного осмоса с дозированием ингибитора (антискаланта), последующее дообессоливание на H-OH ионитных фильтрах.
Исходная вода, подлежащая обессоливанию, имела жесткость 3,5 мг-экв/л, щелочность 2,4 мг-экв/л и величину общего солесодержания 300 мг/л.
Производительность системы обессоливания принята 100 м3/ч при ежегодной выработке 700 тыс. м3 обессоленной воды. В качестве предочистки используются осветлители ВТИ (с коагуляцией сульфатом алюминия) и механические фильтры с загрузкой из антрацита. Экономические аспекты применения технологии ультрафильтрации в качестве предочистки представлены ниже.
Для экономического сравнения были проведены расчеты себестоимости обессоленной воды на основании данных расхода реагентов и электроэнергии, стоимости сбросов сточных вод. В табл. 1 сведены сравнительные показатели эксплуатационных затрат и себестоимость обессоленной воды для различных технологических схем. В технологических расчетах нет данных по расходу реагентов на химические промывки и замену картриджей фильтров тонкой очистки (ФТО), а также амортизационным отчислениям. Эти расходы могут значительно уменьшать экономический эффект от применения обратного осмоса.
Анализ технологических показателей показывает: существенную часть затрат составляют расходы на реагенты, а также электроэнергию и подогрев воды. При этом обратный осмос явно проигрывает ионному обмену в затратах на электроэнергию, что объясняется использованием мембран, работающих под давлением 16 бар. Между тем, существуют и современные мембраны типа ESPA, которые названы энергосберегающими (в аббревиатуру их названия входят первые буквы словосочетания energy saving), поскольку позволяют работать при давлении порядка 6–8 бар. Оптимизационные расчеты показывают: экономически целесообразно сократить затраты на электроэнергию при использовании аппаратов с низконапорными мембранами. Как показывают данные табл.1, существенную часть затрат в технологических схемах составляют реагенты для предочистки и регенерации, что связано с осадкообразованием на мембранах. Отказ от реагентов и предочистки, а также увеличение величины выхода фильтрата значительно сократят себестоимость очищенной воды.
Применение ультрафильтрации для предочистки
Применение систем ультра- и микрофильтрации в качестве предочистки перед обратным осмосом известно давно. В литературе сообщалось об использовании керамических микрофильтров, трубчатых и капиллярных мембран, а также аппаратов типа фильтр-пресс. Однако это не всегда экономически оправдано вследствие высоких стоимости аппаратуры и эксплуатационных затрат. Системы ультра- и микрофильтрации еще в большей мере, чем системы обратного осмоса, подвержены осадкообразованию вследствие высоких значений удельной производительности мембран. Но, в отличие от обратноосмотических, такие системы позволяют удалять накопленный на поверхности мембран осадок с помощью обратных промывок.
Большое влияние на осадкообразование оказывает скорость транзитного потока над мембраной, вызывающая отрыв взвешенных частиц от мембранной поверхности. Однако создание больших скоростей потока связано с высокими затратами на электроэнергию. На сегодняшний день при обработке поверхностных вод для подготовки питьевой воды и в предочистке воды перед системами обратного осмоса используют аппараты с капиллярными мембранами, работающими в режиме так называемой тупиковой фильтрации (при фильтровании через мембрану всего потока исходной воды без транзитного потока концентрата) и частых (каждые 15–30 мин) промывок обратным током. Такая технология считается оптимальной для аппаратов с капиллярными мембранами благодаря минимизации эксплуатационных затрат. Тем не менее режим тупиковой фильтрации имеет определенные недостатки:
• закупорка пор мембран мелкими частицами заставляет применять дозирование в исходную воду коагулянтов и флокулянтов;
• трудности ведения процесса прямоточной коагуляции вызывают увеличение расхода воды на обратную промывку, что также сказывается на величине эксплуатационных затрат.
Совершенствование систем предочистки в настоящее время ведется путем создания конструкций мембранных ультрафильтрационных аппаратов с низкой стоимостью (например, усовершенствованием рулонной конструкции) и путем оптимизации расходов транзитного потока, позволяющего снизить осадкообразование и затраты электроэнергии. Применение рулонных (с «открытым» каналом) аппаратов с ультрафильтрационными мембранами позволяет добиться при очистке поверхностной воды величины выхода фильтрата до 96 % и не применять промывок обратным током.
Использование ультрафильтрации в качестве предочистки улучшает качество воды, подаваемой на установку обратного осмоса, и продлевает срок службы мембран, однако не ведет к снижению затрат. Экономический эффект от применения предочистки на основе ультрафильтрации повышается, если учитывать затраты на частые замены фильтров тонкой очистки, снижение производительности обратноосмотических мембран вследствие загрязнения (затраты на химические промывки мембран приведены в табл. 2). Вместе с тем, ультрафильтрационные мембраны также подвержены загрязнению. Снижение их производительности в процессе работы (рис. 2), как и рост расхода воды на обратные промывки, уменьшают экономический эффект.
Применение ультрафильтрационных аппаратов требует значительных амортизационных отчислений (на замену мембран, запорной арматуры и т.д.), размер которых определяет стоимость ультрафильтрационных систем, которые дороже обратноосмотических. Необходимо обратить внимание на то, что метод ультрафильтрации – достаточно новый, и у его разработчиков часто не хватает опыта выбора эффективного режима эксплуатации. Недостаточно глубоко исследованы вопросы осадкообразования на ультрафильтрационных мембранах, что может отразиться в быстром снижении их производительности, перерасходе воды на собственные нужды (очищенной воды на проведение обратных промывок) и т.д.
Совершенствование конструкций мембранных аппаратов
В настоящее время наблюдается интерес к созданию систем обратного осмоса и нанофильтрации без предочистки. Исследования показывают, что интенсивность процессов загрязнения мембран зависит не только и не столько от гидродинамических показателей, сколько от состава мембран и конструкции аппаратов. Рулонная конструкция для систем обратного осмоса и ультрафильтрации давно признана оптимальной в техническом и конструктивном плане благодаря большой удельной поверхности мембран и низкой материалоемкости. Ее недостаток состоит в наличии турбулизаторной сетки, которая является ловушкой для частиц, создающей высокое гидравлическое сопротивление потоку при работе аппаратов на воде, содержащей взвешенные вещества (рис. 3). Возможный путь совершенствования и упрощения технологий – модернизация конструкций аппаратов и типов мембран. На рис. 4 показан пример создания рулонного аппарата с открытым каналом, где нити сепаратора приклеены к поверхности мембраны, устраняя тем самым образование застойных зон и места зарождения коллоидных и кристаллических отложений.
В настоящее время активно ведутся разработки новых мембран с модифицированной поверхностью, отторгающей органические, коллоидные и бактериальные загрязнения, а также мембран, стойких к воздействию хлора. Применение усовершенствованных мембранных систем позволит упростить схемы предочистки и снизить эксплуатационные затраты.
Статья опубликована в журнале «Аква-Терм» # 4(44) 2008