Возможности интегрированных мембранных технологий для минимизации объема стоков

А. Пантелеев, М. Ковалев, С. Громов, С. Углов, Б. Федосеев, Е. Аржанова.

 

Мембранные технологии водоподготовки уже хорошо знакомы многим потребителям. Ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос, мембранная дегазация, электродеионизация используются во многих отраслях промышленности - теплоэнергетике, микроэлектронике, медицине, фармацевтике, химической промышленности и др. Все чаще при проектировании новых и реконструкциях старых водоподготовительных установок отдают предпочтение современным мембранным методам очистки воды, которые зарекомендовали себя как экологически чистые, надежные технологии водоподготовки, обеспечивающие высокое качество обработанной воды.

 

Мембранные технологии, в частности обратный осмос и ультрафильтрация, имеют ряд преимуществ перед традиционными схемами водоподготовки, которые хорошо известны. Наряду с достоинствами этих технологий необходимо отметить и присущие им недостатки:

  • рост расходов электроэнергии при эксплуатации;
  • увеличение потребления воды на собственные нужды.

Рост затрат на электроэнергию связан с необходимостью применения в обратноосмотических установках насосного оборудования, развивающего давление существенно более высокое, чем в традиционных схемах водоподготовки, где оно редко превышает 6 бар. Этот недостаток в меньшей степени касается установок ультрафильтрации, которые работают при давлениях воды, сопоставимых со стандартными методами очистки.

Высокие расходы воды на собственные нужды систем обратного осмоса связаны с необходимостью работы обратноосмотических мембран в тангенциальном режиме. При обработке поверхностных и артезианских вод гидравлический КПД установок обратного осмоса составляет, как правило, 70-80 %, то есть 20 - 30 % подаваемой воды необходимо сбрасывать в виде концентрата. При увеличении гидравлического КПД из-за эффекта концентрационной поляризации и, как следствие, интенсификации процесса отложения солей на поверхности мембран снижается качество пермеата и возрастает частота проведения химических промывок.

Однако расчеты показывают, что в целом ряде случаев при обработке поверхностных вод потребление воды на собственные нужды можно уменьшить с 20 - 30 % до 5 -10 %, применив повторную обработку концентрата на дополнительных обратноосмотических установках.

Например, такая технология была разработана ЗАО «НПК Медиана- Фильтр» и опробована в ходе пилотных испытаний на Каргалиской ТЭЦ.

В данном проекте предусматривалось использование в качестве исходной воды для питания котлов на установке деминерализации подрусловой воды с добавлением регенерационных стоков от Na -катионитовых фильтров установки умягчения и Н-ОН-фильтров деминерализации. После реконструкции максимальная производительность системы по обессоленной воде должна составлять 600 м3/ч, количество стоков, подаваемых на захоронение, не должно превышать 16 м3/ч, что соответствует потреблению воды на собственные нужды менее 3 %, а гидравлический КПД системы обратного осмоса с концентрированием - 97,4%.

Таблица №1. Качественный состав исходной воды (подрусловая вода)

Наименование компонентов

Ед. изм.

Величина

Жесткость общая

мг-экв/дм 3

7.1

Щелочность общая

мг-экв/дм 3

4.5

Кальций, Са +2

мг-экв/дм 3

4.2

Магний, Мд +2

мг-экв/дм 3

2.4

Хлориды, Сl -1

мг/дм 3

121

Сульфаты, SO4 (-2)

мг/дм 3

135

Кремниевая кислота, по SiO2

мг/дм э

5.2

Окисляемость

мгО2/дм 3

0.64

Железо общее

мг/дм 3

менее.0,1

рН

-

7.8

 

Цель испытаний состояла в проверке возможности концентрирования стоков с базовых установок обратного осмоса с помощью дополнительных обратноосмотических установок. Необходимо было определить допустимые параметры исходной воды, подаваемой на эти установки, подобрать оптимальные режимы работы, дозы химических реагентов и решить ряд других задач. В экспериментах были задействованы пилотные установки обратного осмоса и ультрафильтрации производства НПК «Медиана-Фильтр». Исходная вода осветлялась на установке ультрафильтрации и направлялась на установку обратного осмоса У001. Концентрат (сточные воды) с установки У001 собирался в накопительной емкости, из которой поступал на установку обратного осмоса У002. Пермеат с установок обратного осмоса У001 и У002 смешивался и направлялся на дальнейшую обработку для получения обессоленной воды. Концентрат с У002 поступал на установку обратного осмоса УООЗ для последней стадии концентрирования. Получаемый пермеат с УООЗ возвращался на вход У001, а концентрат подавался на захоронение.

Технологическая схема ВПУ

 

Рисунок 1. Технологическая схема ВПУ на ТЭЦ-9 и ТЭЦ-16 до реконструкции

1. Фильтры Н-катионирования 1 ступени.

2.  Фильтры ОН-анионирования 1 ступени,

3.  Фильтры Н-катионирования 2 ступени.

4. Декарбонизатор.

5. фильтры ОН-анионирования 2 ступени.

Рисунок 2. Технологическая схема ВПУ на ТЭЦ-16 после реконструкции

1. Механические фильтры. 2.  Станция дозирования коагулянта. 3. Установка ультрафильтрации (УУФ). 4.  Бак осветленной воды. 5.  Станция дозирования ингибитора. 6. Установка обратного осмоса 1 (У001). 7.  Бак сбора концентрата. 8. Станция дозирования ингибитора. 9. Станция коррекции рН. 10. Установка обратного осмоса 2 (У002).  11. Декарбонизатор и бак частично обессоленной воды.  12. Фильтры Н-катионирования 2 ступени. 13. Фильтры ОН-анионирования 2 ступени.

 

Среди требований, предъявляемых производителями обратноосмотических мембран к питательной воде обратноосмотических установок, определяющими являются: содержание окислителей, диапазон значений рН, температура, коллоидный индекс ( SDi ), солесодержание. С точки зрения переработки обратноосмотического концентрата наиболее критичными оказались следующие параметры: значение SDI и рН.

Индекс SDI , определяемый по стандартной методике, служит для оценки интенсивности коллоидного загрязнения мембранных элементов. Практика показала, что методами традиционной предочистки на осветлителях и механических фильтрах только в исключительных случаях удается добиваться значения SDI питательной воды для установок обратного осмоса SDI ~ 4 (при максимальном значении SDI = 6.67). Однако при этом значение SDI для концентрата оказывается выше 5, в то время как производители мембранных элементов рекомендуют поддерживать эту величину для питательной воды SDI < 5. Предподготовка на установках ультрафильтрации уверенно позволяет снизить коллоидный индекс фильтрата до SDI< 3, и в этом случае значение SDI для концентрата после обратноосмотической установки обычно не превышает 5. Этим обстоятельством был обусловлен выбор ультрафильтрации в качестве предподготовки воды, подаваемой на установку обратного осмоса У001.

Помимо проблемы с коллоидными отложениями могут возникнуть сложности, обусловленные кристаллизацией на поверхности обратноосмотических мембран малорастворимых солей. Карбонаты и сульфаты солей жесткости, гидрооксиды, фосфаты и силикаты могут формировать отложения за счет превышения растворимости, возникающей как вследствие концентрационной поляризации, так и в результате смещения значения рН концентрата в щелочную область. Наличие солевых отложений на поверхности мембраны приводит к снижению производительности и ухудшению качества пермеата. Некоторые отложения невозможно удалить с поверхности мембраны, не повредив саму мембрану, что, тем самым, приводит к выходу мембранного элемента из строя.

Для предотвращения образования отложений применяют следующие меры (по отдельности или совместно):

  • уменьшение гидравлического КПД установки;
  • коррекция значения рН подаваемой воды (как правило, подкисление);
  • ингибирование процесса кристаллизации малорастворимых соединений;
  • умягчение исходной воды.

На современном этапе применение ингибиторов рассматривается как надежное и экономически выгодное решение, обеспечивающее безопасные условия работы персонала, особенно при больших производительностях установок обратного осмоса (от десятков кубических метров в час и более). Ингибирование как метод предотвращения отложений в установках обратного осмоса доказало свою высокую эффективность, например, при проведении экспериментов на Каргалинской ТЭЦ.

Основные задачи, которые необходимо было решить в процессе проведения пилотных испытаний:

  • сокращение количества потребляемых реагентов и образующихся сточных вод при работе системы водоподготовки на смеси сточных вод всего комплекса и природной воды;
  • установка водоподготовки должна выполнять функции по концентрированию сточных вод до максимально возможных значений и подготовке их для захоронения в подземные горизонты.

Поставленная задача была решена, что и было подтверждено в ходе пилотных испытаний.

Результаты пилотных испытаний на Каргалинской ТЭЦ по концентрированию стоков обратноосмотических установок нашли практическое применение при разработке технологических решений для реконструкции ВПУ на ТЭЦ-9 и ТЭЦ- 16 ОАО «Мосэнерго».

В существующих схемах ВПУ для подпитки котлов на обеих ТЭЦ в качестве исходной воды использовали дорогостоящую водопроводную воду, которая подавалась на цепочки ионообменного обессоливания, представленные на рис. 1. Такая технологическая схема имела ряд недостатков:

  • высокие эксплуатационные затраты на водопроводную воду;
  • необходимость регулярной досыпки и замены смол;
  • большие расходы на химические реагенты;
  • необходимость нейтрализации стоков;
  • образование высокоминерализованных стоков;
  • значительные затраты на ремонт и обслуживание оборудования, контактирующего с агрессивными веществами;
  • необходимость больших складских запасов кислоты и щелочи.

При реконструкции ВПУ ставились следующие задачи:

  • перейти на речную воду;
  • уменьшить потребление воды на собственные нужды ВПУ;
  • сократить расходы реагентов при одновременном повышении качества обессоленной воды.

Для предподготовки речной воды перед установками обратного осмоса была выбрана технология ультрафильтрации.

Реализованная на ТЭЦ-16 схема представлена на рис. 2.

Подогретая вода из р. Москвы проходит очистку на механических фильтрах (1) и поступает в баки исходной воды, откуда направляется на установки ультрафильтрации УУФ (3). Получаемый фильтрат с УУФ собирается в баки осветленной воды, которая используется на проведение промывок установок ультрафильтрации и подается на УОО 1 (6). Концентрат с УОО 1 поступает в накопительную емкость (7), из которой направляется на установку концентрирования стоков УОО 2 (10). Было также предусмотрено поступление осветленной воды в накопительную емкость (7) для возможности работы УОО 2 и на осветленной воде. Получаемый пермеат с У001 и УОО 2 объединяет­ся и поступает в декарбонизатор, совмещенный с БЧОВ, откуда направляется на цепочки ионитных фильтров Н-ОН для дальнейшей очистки.

Реконструированная схема ВПУ на ТЭЦ-16 была запущена в мае 2007 года. В процессе эксплуатации была оптимизирована ее работа:

  • разбавление концентрата УОО1 осветленной водой не производится;
  • для проведения коррекции рН перед У002 используется   техническая серная кислота вместо химически чистой соляной кислоты;
  • скорректированы параметры работы УУФ для снижения потребления воды на собственные нужды.

После проведения оптимизации система ультрафильтрации имеет гидравлической КПД 83 %, а система обратного осмоса с концентрированием с помощью блока У002 - 91 %. Общие затраты воды на собственные нужды интегрированной мембранной установки водоподготовки составляют 25%. Система водоподготовки выдает пермеат УОО с показателями:

  •  электропроводность - 4 - 6 мкСм/см;
  •  рН-6-6,4;
  •  жесткость - 3 мкг-экв/л;
  •  щелочность-30 мкг-экв/л;
  • хлориды - 200 мкг/л;
  • содержание кремниевой кислоты -50-80 мкг/л.

Благодаря высокому качеству воды, достигнутому на первой ступени обессоливания после реконструкции ВПУ, фильтроцикл второй ступени обессоливания возрос с 10000 м3 по старой схеме до 40000 м3 . Качество воды на выходе со второй ступени обессоливания приведено в таблице 3.

Реализованная схема позволила успешно решить поставленные задачи при реконструкции ВПУ на ТЭЦ-16. Система водоподготовки работает в автоматическом режиме. Переход с водопроводной на речную воду позволил снизить затраты на эксплуатацию в 2,6 раза. Отмечено значительное улучшение показателей обессоленной воды, что привело к сокращению образования отложений на экранных трубах и коррозии, а также произошло снижение дозируемых реагентов для обеспечения оптимального водно-химического режима. В 3,9 раза снижены затраты на эксплуатацию обессоливающей установки, включающие в себя затраты на реагенты, расходные материалы и досыпку ионитов.

Rambler's Top100 Rambler's Top100