Использование современных технологий для получения обессоленной воды, как альтернатива традиционным методам водоподготовки

12 декабря 2018 г.
 

Павел Стендер

Технологии обессоливания воды постоянно совершенствуются, что позволяет существенно снизить расходы на водоподготовку, реагенты и оборудование, улучшить качество получаемой воды и автоматизировать процесс. В статье сравниваются традиционные и современные методы деминерализации воды в промышленности, используемые на стадиях предподготовки, обессоливания и глубокого обессоливания. Также предлагается схема поэтапной реконструкции существующих установок с учетом сопутствующих факторов: от первой эффективной замены до полного перехода на новые технологии.

При подготовке технико-экономических обоснований проектов реконструкции или технического переоснащения промышленных установок обессоливания воды часто возникают следующие вопросы:

  • Какой должна быть наиболее оптимальная технологическая схема в каждом конкретном случае? Что из имеющегося оборудования целесообразно оставить, а что – заменить?
  • Какова наиболее эффективная схема поэтапной реализации проекта? Что следует реконструировать в первую очередь, а что – потом?

МЕТОДЫ ВОДОПОДГОТОВКИ – ТРАДИЦИИ И СОВРЕМЕННОСТЬ

Прежде всего кратко остановимся на том, какие методы водоподготовки являются современными. Одной из наиболее прогрессивных схем деминерализации воды в настоящее время принята технология, включающая стадии ультрафильтрации, обратноосмотической деминерализации и электродеионизации.

Стадия ультрафильтрации используется для удаления из обрабатываемой воды взвешенных веществ, коллоидных примесей, части органических загрязнений, а также удаления бактерий, водорослей и других микроорганизмов, размеры которых превышают сотые доли микрона. По своей сути ультрафильтрация является аналогом коагуляции в осветлителях и очистки на механических фильтрах, однако лишена недостатков, присущих традиционной технологии. Так, основными преимуществами ультрафильтрационных установок являются:

  • Отсутствие необходимости в известковом хозяйстве – при эксплуатации ультрафильтрационных установок требуется только периодическая кислотная и щелочная промывка модулей, однако количества реагентов в десятки раз меньше, чем в реагентной технологии;
  • Отсутствие необходимости в точном соблюдении технологических параметров (температуры, рН, скорости потока), как этого требует эксплуатация осветлителей. При этом, качество очистки воды остается стабильно высоким и не зависит ни от условий эксплуатации, ни от так называемого «человеческого фактора»;
  • Существенное (в 2-4 раза) сокращение производственных площадей для размещения основного и вспомогательного оборудования;
  • Простота эксплуатации, возможность автоматизации процесса.

На стадии обратноосмотической деминерализации происходит удаление из воды растворенных примесей. В зависимости от требуемого качества очистки используют одно- или двухступенчатую схему. Как правило, остаточное солесодержание воды после первой ступени составляет 5-20 мг/л, поэтому, в случае необходимости более глубокой деминерализации, используют вторую ступень обратноосмотической очистки.

Основными преимуществами обратноосмотической деминерализации перед ионообменной являются:

  • Исключительная надежность метода, что обусловливает стабильно высокое качество деминерализованной воды независимо от сезонных колебаний качества исходной воды, технологических параметров и «человеческого фактора»;
  • Высокая экономическая эффективность – замена первой ступени ионообменной деминерализации на обратноосмотическую позволяет на 90-95% снизить потребление кислоты и каустика;
  • Как и для ультрафильтрационных установок, сокращение производственных площадей, простота эксплуатации и автоматизации технологического процесса.

В промышленности обратноосмотические методы стали применяться с 70-80-х годов прошлого века и в настоящее время являются наиболее используемыми в мировой практике водоподготовки для деминерализации воды. Следует отметить, что появившиеся в последнее время высокоселективные низконапорные элементы делают обратноосмотическое обессоливание экономически оправданным даже в случае низкоминерализованных вод.

Принято считать, что одним из недостатков обратноосмотической деминерализации является сравнительно высокий (до 20-25%) расход воды на собственные нужды, однако этот недостаток легко устраним за счёт дополнительной обработки и повторного использования стоков.

Для получения глубокообессоленной воды в энергетике и микроэлектронике в последнее время все шире используется метод электродеионизации. По своей сути и по принципу очистки электродеионизация является аналогом традиционных фильтров смешанного действия (ФСД) и позволяет получать воду с электропроводностью менее 0,1 мкСм/см. Отличительной особенностью электродеионизации является то, что регенерация фильтров осуществляется за счет прохождения электрического тока через смешанный слой ионитов, размещенный между листами ионообменных мембран, непосредственно в процессе очистки. Таким образом, в случае применения электродеионизации, не нужно периодических остановок фильтров для проведения технически сложной регенерации с разделением ионитов, отсутствует необходимость в использовании реагентов.

Основными преимуществами электродеионизации являются:

  • Непрерывность процесса, отсутствие необходимости остановки процесса очистки для разделения и регенерации ионитов;
  • Стабильно высокое качество очистки, возможность лёгкой корректировки технологических параметров (силы тока, напряжения на модулях), быстрый выход модулей в режим очистки;
  • Отсутствие необходимости в реагентном хозяйстве.

Итак, для ответа на поставленные в начале статьи вопросы давайте сначала сопоставим традиционные и современные методы водоподготовки, используемые для получения обессоленной воды. Условно эти методы можно разбить на три основных группы (Рис.1):

  • Предподготовка, главной задачей которой является удаление механических примесей, взвесей и коллоидов.

Традиционно, для предподготовки используются известкование с коагуляцией и последующая механическая фильтрация на скорых фильтрах с антрацитовой загрузкой.

К современным методам, обеспечивающим практически такой же результат, можно отнести грубую механическую фильтрацию на самопромывных сетчатых или дисковых фильтрах с последующей фильтрацией на ультрафильтрационных мембранах;

  • Обессоливание, задачей которого является удаление растворённых солей или, иными словами, снижение минерализации воды до электропроводности 0,5-2 мкСм/см.

Традиционно, для обессоливания воды используют метод двух- или даже иногда трёх-ступенчатого ионного обмена на Н-катионитовых и ОН-анионитовых фильтрах. Современным методом обессоливания является одно- или двухступенчатый обратный осмос.

  • Глубокое обессоливание для получения глубоко обессоленной воды с сопротивлением 15-18 МОм.

Традиционно, для глубокого обессоливания воды используют ионообменные фильтры смешанного действия с выносной или не выносной регенерацией ионитов.

Современным методом глубокого обессоливания является электродеионизация.

Ниже мы более подробно рассмотрим технологические схемы перечисленных процессов, сравним эксплуатационные расходы, а также преимущества и недостатки традиционных и современных методов, применяемых в настоящее время в промышленности.

ПРЕДПОДГОТОВКА

Сравнение типичных технологических схем и эксплуатационных характеристик (рис.2 и табл.2) позволяет выделить следующие характерные особенности традиционной и современной предподготовки воды:

Сравнение типичных технологических схем и эксплуатационных характеристик (рис.3 и табл.3) позволяет выделить следующие характерные особенности традиционного и современного обессоливания воды:

ОБЕССОЛИВАНИЕ – ПЕРЕХОД ОТ ТРАДИЦИОННЫХ К СОВРЕМЕННЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ

Теперь, определившись с особенностями традиционных и современных методов, можно перейти ко второму вопросу, поставленному нами в начале статьи, а именно, к поэтапной реконструкции существующих обессоливающих установок с использованием современных методов.

Как правило, необходимость выделения нескольких этапов реконструкции обусловлена следующими факторами или их комбинацией:

  • отсутствие свободных площадей для размещения нового оборудования и, как следствие, необходимость демонтажа устаревшего оборудования, что в условиях действующего предприятия требует выделения отдельных пусковых комплексов;
  • отсутствие финансирования на единовременную полную замену существующей обессоливающей установки;
  • инертность или неуверенность заказчиков в необходимости или целесообразности реконструкции.

Ниже мы рассмотрим типичные этапы и возможные варианты реконструкции, а также отметим, какие основные задачи решаются на каждом этапе.

ЭТАП 1. SUCCESS CASE

Как правило, в начале реконструкции обессоливающей установки возникает необходимость в кратчайший срок и с наименьшими капитальными затратами получить наибольший экономический эффект, чтобы продемонстрировать инвесторам целесообразность реконструкции, а эксплуатирующим подразделениям – эффективность и надёжность новых технологий.

Этим требованиям как нельзя лучше соответствует замена в существующей схеме первой ступени Н/ ОН-ионирования на первую ступень обратного осмоса (рис. 4). Важно также, что для установки обратноосмотических установок первой ступени требуется сравнительно немного места, а после их запуска освобождаются площади, занимаемые ионитными фильтрами первой ступени, чего в большинстве случаев достаточно для последующего размещения всего остального вновь устанавливаемого оборудования.

Несмотря на перечисленные выше достоинства этого первого шага, при его реализации всё ещё остаются недостатки старой схемы - неизменными остаются громоздкие и инерционные осветлители с известковыми ямами, а также реагентное хозяйство, которое необходимо для регенерации оставшихся ионитовых фильтров. Кроме того, узким местом остаётся механическая фильтрация, которая часто не обеспечивает требуемое обратноосмотическими установками качество очистки, что приводит к сравнительно частым химическим промывкам мембран.

ЭТАП 2. РЕКОНСТРУКЦИЯ ПРЕДПОДГОТОВКИ

Обычно после успешного ввода в эксплуатацию обратноосмотических установок первой ступени, благодаря которым более чем на 90% снижается потребление реагентов, следующим этапом становится реконструкция предподготовки с обязательным включением ультрафильтрации, обеспечивающей удаление механических и коллоидных примесей, а также существенно снижающей содержание в воде микроорганизмов и водорослей.

Как правило, на данном этапе проводят полную замену - отключают осветлители и засыпные антрацитовые фильтры, вместо которых подключают самопромывные фильтры и ультрафильтрационные модули, которые обеспечивают надёжную защиту обратноосмотических установок, особенно в случае обессоливания речной воды (вариант А, рис.5). Однако, в зависимости от предпочтений службы эксплуатации, возможны также варианты, которые частично сохраняют старое оборудование – механические фильтры, которые позволяют сэкономить на более эффективных самопромывных аналогах (варианты Б) или осветлители, которые оставляют для «перестраховки» при удалении органики (вариант В).

Чаще всего, после ввода в эксплуатацию ультрафильтрационных установок и наработки позитивного опыта эксплуатации мембран, принимается решение об отказе от старого оборудования и варианты Б и В, которым свойственны всё те же недостатки – громоздкость, инерционность, энергоёмкость, известковое хозяйство, - быстро трансформируются в вариант А.

Однако, даже после реконструкции предподготовки по варианту А, остаётся один существенный недостаток, свойственный «старой» технологии – громоздкое реагентное хозяйство, включающее объёмные баки кислоты и каустика, которое необходимо для регенерации ионитовых фильтров второй ступени и фильтров смешанного действия (ФСД), а также станция нейтрализации стоков. Учитывая редкую регенерацию фильтров второй ступени и ФСД, коэффициент использования указанного оборудования довольно низок, однако его объёмы и производительность должны обеспечивать большие залповые расходы реагентов, которые требуются при регенерации ионитов.

ЭТАП 3. ПОЛНЫЙ ПЕРЕХОД НА СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Наконец, после реконструкции предподготовки наступает третий этап, на котором ионообменные технологии полностью уступают своё место современным методам – осуществляется замена ионитовых фильтров второй ступени и ФСД на обратноосмотические установки второй ступени и электродеионизацию (рис. 6), что позволяет полностью отказаться от реагентного отделения, полностью автоматизировать и компьютеризировать технологический процесс, повысить его экологическую безопасность.

Рис. 7. Системы водоочистки, установленные на ТЭЦ-6, г. Киев. а – система ультрафильтрации б – система обратного осмоса в – система электродеионизации

ВЫВОДЫ 

Таким образом, сравнивая традиционные и современные методы водоподготовки, применяемые в промышленности для получения обессоленной воды, можно сделать вывод, что использование современных методов водоподготовки – ультрафильтрации, обратноосмотической деминерализации и электродеионизации – позволяет:

  • снизить эксплуатационные расходы;
  • существенно сократить потребление реагентов, отказаться от громоздкого реагентного хозяйства;  повысить экологическую безопасность производства;
  • обеспечить стабильно высокое качество очистки воды;
  • автоматизировать технологический процесс.

Существенным достоинством данных методов является возможность их поэтапного внедрения на действующих предприятиях и последующего масштабирования в случае наращивания мощностей производства.

Коментарии

Смотрите также
 
Популярное