Фев 17 2002

Применение мембранных технологий для питьевого и промышленного водоснабжения

Применение мембранных технологий для питьевого и промышленного водоснабжения

С.П. Высоцкий, А.В. Фаткулина

Автомобильно-дорожный институт ДонНТУ, г. Горловка

В южных районах Украины ощущается острая недостача пресной воды для питьевого водоснабжения. Солесодержание воды в реках, протекающих на территории Донбасса, повысилось до таких величин, что вода в этих реках уже является непригодной для использования в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения. Так, в самой крупной реке Донбасса – Северском Донце – в верховьях вода имеет гидрокарбонатно-кальциевый состав с минерализацией 350-500 мг/л, а ближе к устью гидрокарбонатно-сульфатно-хлоридно-кальциевый состав с минерализацией до 1500 мг/л. Сток реки Казённый Торец, составляющий до четверти общего стока Северского Донца, в меженный период формируется исключительно за счёт сброса шахтных вод. Среднее солесодержание воды в нём в устье составляет до 3 г/л. Для обеспечения Донбасса пресной водой проложены каналы и трубопроводы для подачи воды из Северского Донца и Днепра. При этом на строительство каналов, трубопроводов и насосных станций отводятся огромные территории. Кроме этого, существенным недостатком этого решения является угроза повышения горизонта грунтовых вод и значительные затраты электроэнергии на транспорт воды.

Как известно, Приазовье  не обеспечивается пресной водой из канала Северский Донец – Донбасс. Высокая минерализация и жёсткость артезианских и поверхностных вод ухудшают условия жизни в этом и без того напряжённом в экологическом плане регионе.

Дефицит пресной воды может быть устранён путём опреснения солёных вод. При этом одновременно может решаться проблема предотвращения засоления поверхностных водных источников. Процесс опреснения в трёх самых распространённых в настоящее время технологиях (дистилляции, обратном осмосе и электродиализе) заключается в перераспределении солей между двумя потоками воды: обессоленной водой и концентратом или рассолом.

Применение дистилляции сопряжено с необходимостью использования относительно дешёвых энергоресурсов (которые отсутствуют на Украине) и сопряжено со вторичным загрязнением окружающей среды, обусловленным необходимостью достаточно глубокого удаления катионов жёсткости из упариваемой воды, или применения присадок диспергантов, сброс которых в поверхностные водоёмы ограничен.

При электродиализной технологии перенос ионов из обессоливаемой воды осуществляется под воздействием электрического поля через проницаемые для ионов одного знака заряда для катионов – катионитовые и для анионов – анионитовые мембраны.

Самые передовые позиции в области изготовления электродиализных аппаратов и применения технологии электролиза  занимает фирма "Ionics" (США). Аппараты указанной фирмы широко используются для приготовления воды питьевого класса в ряде стран. Электродиализные аппараты обеспечивают выход обессоленной воды до 95 % от расхода исходной воды. Каждый аппарат (модуль) содержит 500 пар мембранных ячеек, соединенных последовательно гидравлически и электрически. Электрическое напряжение по ступеням распределяется следующим образом: 1ступень – 75В, 2-я – 69В, 3-я – 69В, размеры мембран в модулях 105,7·101,6 см2.

Распределение затрат при использовании указанной технологии для установки производительностью около 600 т/ч следующее: расход электроэнергии на транспорт воды и технологию 46,2 %, замена патронных элементов – 3,3 %, реагенты – 4,4 %, запасные части обвязки – 6,7 %, замена мембран – 26,3 %. Стоимость обессоленной воды – 0,43 дол/м3 при исходном солесодержании воды около 200 мг/л.

Значительные преимущества при обессоливании вод солесодержанием до 1-2 г/л обеспечиваются при использовании реверсивного электродиализа. При реверсивном электродиализе сокращается расход воды на собственные нужды установки – уменьшается продувка контура рассола, отсутствует необходимость применения высоконапорных насосов, трубопроводов и арматуры высокого давления, сокращается расход электроэнергии, а также уменьшаются требования к глубине предочистки поступающей воды.

Обратный осмос является одной из наиболее перспективных технологий. Доля применения этой технологии в мировой практике постоянно возрастает. Одним из достоинств этой технологии является возможность очистки воды от диоксинов, являющихся самыми токсичными загрязнителями поверхностных вод в техногенных регионах.

В настоящее время обратноосмотические установки на основании полых волоконных или рулонных элементов ведущих фирм мира "Osmonics" и "Dupont" (обе – США) и "Hydronautics" (Япония) имеют производительность от нескольких сот до сотен тысяч м3/сутки. При этом по данным фирмы "Metito" при обессоливании воды солесодержанием до 7500 мг/л и производительности установки более 20000 м3/сутки стоимость обессоленной воды составляет 0,5 дол. США/м3.

Распределение отдельных составляющих затрат при этом следующее: амортизационные отчисления 36 % или 0,183 дол/м3 (при 10 % кредитной ставке на 10 лет), реагенты 6 % или 0,03 дол/м3, запасные части 6% или 0.03 дол/м3, замена мембран 9 % или 0,044 дол/м3, заработная плата 12 % или 0,06 дол/ м3 , электроэнергия 31 % или 0,155 дол/м3 при цене электроэнергии 0,07 дол/кВт ч.

Учитывая то, что в Украине экономическое положение кардинально отличается от состояния развитых стран, представляет практический интерес оценка составляющих затрат на очистку воды по обратноосмотической технологии. Следует отметить то, что затраты на обработку воды по обратноосмотической технологии не очень сильно отличаются при изменении степени деминерализации.

Используя данные эксплуатации крупнейшей в Европе обратноосмотической установки на ОАО "Концерн "Стирол", нами выполнены технико-экономические расчёты стоимости оборудования и сроков их окупаемости. При производительности обратноосмотической установки 750 т/ч и цене реагентов: серной кислоты – 165 грн/т, щёлочи – 19 грн/т, извести – 130 грн/т, поваренной соли – 69 грн/т и стоимости исходной воды 3,5 грн/м3 (с учётом экологических платежей) применение обратноосмотической технологии позволило использовать для обессоливания сточные шахтные воды (практически бесплатно) и значительно снизить эксплуатационные затраты на очистку воды.

Сброс засоленных стоков при использовании ионообменной технологии очистки воды минерализацией 650 мг/л (канал Северский Донец – Донбасс) составляет:

 т,

а сброс засоленных стоков при использовании мембранной технологии:

 т

Согласно приведенным данным, сброс засоленных стоков в поверхностные водоёмы сокращается в 4,5 раза при использовании обратноосмотической технологии.

При этом установка окупается за срок от нескольких месяцев до нескольких лет, в зависимости от стоимости исходной воды. Особенно большие преимущества мембранные технологии имеют место в случае использования вод повышенной минерализации (например, шахтных) в качестве источника водоснабжения.

Применение мембранных технологий позволяет существенно улучшить распределение отдельных компонентов солей в сбрасываемых растворах. Ирригационные показатели качества природных вод зависят от общей минерализации и соотношения концентраций основных катионов. В зависимости от ионного состава воды повышенной минерализации могут действовать на растительность более или менее отрицательно. Особенно вредно накопление в почве ионов натрия при содержании больших количеств гидрокарбонатных и карбонатных ионов.

Согласно [1] для полива овощных культур на чёрнозёмных почвах могут применяться сульфатные и сульфатно-хлоридные воды с минерализацией 3-4 г/л при соотношении катионов натрия и жёсткости по М.Ф. Буданову меньше 0,7.

Показатели ирригационной оценки качества вод разного ионного состава по М.Ф. Буданову определяется зависимостями:

;              

Особенно большое преимущество в этом случае имеет место при использовании нанофильтрационных мембранных аппаратов для умягчения воды.

                                                                  CaК, MgК, NaК

                                                                           р

         Ca 0, Mg 0, Na 0                                                             CaП, MgП, NaП

                   1+р                                                                     1

Рисунок 1. Распределение потоков катионов в пермиате и концентрате в нанофильтрационных мембранных аппаратах

Материальный баланс нанофильтрационной технологии при селективности мембран по катионам жёсткости g и доля расхода продувки контура концентрата р может быть описан уравнениями:

Приняв   как показатель степени концентрирования катионов жёсткости, получаем:

Так, при умеренных значениях селективности нанофильтрационных мембран =0,9 и продувке контура концентрата р = 0,3 степень концентрирования составит .

Учитывая низкую селективность нанофильтрационных мембран по натрию, значение индекса Буданова, даже для вод повышенной минерализации, сдвигается в благоприятную сторону, так как концентрация катионов натрия в концентрате практически не изменяется при существенном увеличении концентрации Са и Mg.

Таким образом, с экологической точки зрения использование нанофильтрационных методов умягчения воды позволяет существенно улучшить технологичность процесса (по сравнению, например, с натрий-катионированием) за счёт возможности использования сбрасываемых сточных вод для целей ирригации.

Литература

1. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды / Под ред. Пилипенко А.Т. – К.: Наукова думка, Часть 1, 1980. – 680 с.

2. С.П. Высоцкий, А.В.Фаткулина, А.С.Сивоконь Некоторые особенности эксплуатации обратноосмотических установок // Сборник статей международной конференции "Вода и здоровье", – Одесса (Украина),ОЦНТЭИ, 2001г.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.