CC BY
11
УДК 69
doi: 10.55287/22275398_2022_1_88
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПТИМИЗАЦИИ РАБОТЫ УСТАНОВОК ОБРАТНОГО ОСМОСА, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ИЗ ПОДЗЕМНЫХ ВОДОИСТОЧНИКОВ
А. Г. Первов Д. В. Спицов
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва.
Ключевые слова
обратный осмос, нанофильтра-ция, ингибиторы осадкообразования, осадкообразование на мембранах, сокращение расхода концентратов; снижение жесткости, удаление аммония, снижение фтора
Дата поступления в редакцию
14.03.22
Дата принятия к печати
19.03.22
Аннотация
Описаны проблемы, связанные с эксплуатацией установок обратного осмоса при подготовке питьевой воды из подземных водоисточников. Рассмотрены пути повышения эксплуатационных параметров работы установок обратного осмоса. Применение на-нофильтрационных мембран позволяет уменьшить интенсивность осадкообразования и одновременно снизить расход концентрата без опасности осадкообразования. Также благодаря использованию нанофильтрационных мембран можно снизить дозу ингибитора и соответственно сократить эксплуатационные затраты.
Целью работы было изучение эффективности разработанной технологии и определение эксплуатационных затрат, а также экологического эффекта.
Проведены экспериментальные исследования по обработке подземных вод и определению эффективности предложенной технологии.
Определены скорости образования осадков в мембранных аппаратах в зависимости от величины коэффициента снижения объема К (отношения расхода исходной воды к расходу концентрата) в установке.
При экономическом сравнении использованы такие параметры работы установки, как: дозы ингибиторов, типы мембран, селективность мембран по солям, значение коэффициента снижения объема исходной воды К.
Получены основные зависимости, позволяющие определить скорости образования в мембранных аппаратах кристаллических осадков карбоната кальция, расходы реагентов и затраты электроэнергии для определения эксплуатационных затрат.
Для случая состава воды одного из водозаборов на территории Московской области приведен пример технологического расчета установки, определения, доз реагентов и величины эксплуатационных затрат.
Установлено, что при использовании нанофильтрационных мембран для снижения жесткости и аммония при малых значениях давления и за счет большей производительности и за счет меньшей селективности добиться снижения скорости осадкообразования.
Введение
Основным реагентом, используемым при эксплуатации систем обратного осмоса, являются ингибиторы образования осадков малорастворимых солей, главным образом, карбоната кальция [1 - 3]. Проблему с закупками ингибиторов создало то обстоятельство, что они поставляются рядом фирм, в основном зарубежными, и под разными торговыми марками [4, 5]. Служба эксплуатации мембранной установки, после того, как запас поставленных ингибирующих веществ закончился, обычно объявляет тендерную закупку реагента именно этой модели и этой торговой марки, что часто оказывается сложным, так как фирмы, зарегистрировавшие свои торговые марки, «пропадают». В силу недостатка знаний и опыта водоканалы часто стоят перед выбором, какой химикат закупить, и есть ли риск, что он окажется менее эффективным, чем предыдущий.
Обычно, с течением времени (к концу второго года эксплуатации) показатели работы установки начинают ухудшаться [6 - 8], что начинают связывать с неэффективным ингибитором другой торговой марки. Эти вопросы требуют разъяснения. В [9 - 11] описаны основные виды применяемых ингибиторов и результаты определения их эффективности. Был сделан вывод, что эффективность зависит не от торговой марки, а от класса, к которому принадлежит ингибитор. Наиболее эффективными являются ингибиторы, принадлежащие к классу «фосфонатов» [10, 12]. Например, наиболее эффективным из ингибиторов, выпускаемый отечественными производителями, является ингибитор марки «Аминат-К» [13, 14], принадлежащий к классу фосфонатов и представляющий собой смесь натриевых солей фос-фоновых кислот. Как показывают результаты проведенных исследований [15, 16] и сравнительных испытаний образцов ингибиторов наиболее известных марок и принадлежащих в основном к классам фосфонатов и акрилатов, эффективность в снижении скоростей образования на мембранах кристаллических осадков карбоната кальция отличается на 10 - 15 процентов [14, 15]. Это значит, что период эксплуатации до проведения химических промывок также отличается на 10 - 15 процентов. Поэтому проблему представляет не тип ингибиторов, а умение эксплуатировать установку, своевременно производя сервисные мероприятия [14, 17], что позволяет контролировать рост отложений на мембранах. Для контроля над количеством отложений следует не искать новый ингибитор, а совершенствовать технологическую схему с целью повышения эффективности работы, снижения эксплуатационных расходов и расходов концентратов.
Проблему создает опасность образования на мембранах кристаллических осадков карбоната кальция и быстрая потеря мембранами величины их начальной производительности при обработке вод с высоким содержанием ионов кальция. В связи с высоким содержанием ионов кальция значения величины «выхода фильтрата» установок при обработке подземных вод (отношение расхода фильтрата к расходу обрабатываемой воды) не превышает 0,65 - 0,75. Увеличение выхода фильтрата ведет к повышению пересыщения по карбонату кальция в концентрате и повышению скорости осадкообразования [17]. Необходимой частью технологии является дозирование ингибиторов в исходную воду для предотвращения осадкообразования. Но полного предотвращения, как показывает опыт проведенных исследований [13, 14], не удается добиться ни с каким видом ингибитора. Как уже давно было показано в результате исследований и опыта эксплуатации [13, 17], наиболее эффективно и рационально применять нанофильтрационные мембраны, которые специально были разработаны для целей питьевого водоснабжения. Как показывают эксперименты, даже при высоких значениях выхода фильтрата удается получить воду питьевого качества. Однако, применение нанофильтрационных мембран пока встречается «в штыки» водоканалами, поскольку при принятой сейчас схеме (рис. 1) происходит экономия мембран (благодаря смешению пермеата с исходной водой мембраны обеспечивают только полови-
03
г
м О
-I
м
Э СО
х о и
0
1
га н
и >
н О
ю га а
ей га О «
И
С н Ш о
"т
2 ™ СО ц
^ о
Ш ч
С « < ^
ну выбранной производительности). А в случае необходимости удаления аммония или лития (плохо удаляемых нанофильтрационными мембранами), требуется обрабатывать весь поток исходной воды. Однако такой подход не учитывает, что годовые затраты по замене мембран часто оказываются ниже, чем затраты на электроэнергию и реагенты, а также на сброс концентрата в канализацию [17]. Как уже неоднократно говорилось в публикациях, применение нанофильтрационных мембран позволяет сократить расходы на предотвращение осадкообразования и увеличить значения выхода фильтрата установок, что позволяет существенно сократить эксплуатационные затраты и повысить надежность работы мембранных установок в системах питьевого водоснабжения [7].
Концентрат
К потрейнт&лю
Рис. 1. Технологическая схема применения установок обратного осмоса, применяемая для очистки подземных вод: 1 — аэратор; 2—насос; 3—механический фильтр; 4—резервуар очищенной воды; 5 — рабочий насос высокого давления; 6—установка обратного осмоса; 7—регулирующий вентиль
Эффективная работа установок обратного осмоса, используемых для обработки подземных вод, основывается на постоянном эффективном контроле процесса образования на мембранах отложений малорастворимых в воде солей—в основном карбоната кальция. Интенсивность образования отложений карбоната кальция зависит от:
• химического состава воды, концентраций ионов кальция, бикарбонат-ионов, величины рН и общего солесодержания;
• величины выхода фильтрата—отношения расхода пермеата к расходу исходной воды, поступающей в установку обратного осмоса: чем выше величина выхода фильтрата, тем в большее число раз концентрируются в аппаратах осадкообразующие ионы (кальций и бикарбонаты);
• частоты проведения химических промывок и их эффективности (химические промывки должны полностью удалять образовавшийся осадок, образовавшийся в течение фильтроцикла—периода работы установки между химическими промывками);
• эффективности мероприятий по предотвращению осадкообразования: эффективности действия ингибитора, дозируемого в исходную воду и сокращающего скорость образования осадка карбоната кальция.
Для определения эффективного срока фильтроцикла в зависимости от состава исходной воды и величины выхода фильтрата авторами была разработана специальная программа расчета [14], позволяющая на стадии проектирования назначить эффективный режим работы установки.
В основу расчетов по программе были положены экспериментально полученные данные, связывающие количество образующегося осадка с течением времени в мембранном аппарате, снижение производительности мембран и рост величину удельной электропроводности пермеата в зависимости от количества осадка в аппарате [14]. Прогноз количества образующегося в аппарате осадка с течением времени ведется на основании значений скоростей образования карбоната кальция, полученных экспериментально. Скорости осадкообразования определяются на основании опытно-промышленных экспериментов на воде заданного состава, в промышленно выпускаемых мембранных элементах и с применением используемых в технологии ингибиторов с различными дозами.
Уменьшить образование осадка позволит переход к ингибитору, более эффективному, чем используемый «Эктоскейл-901-1». Более эффективный ингибитор позволяет снизить скорости осадкообразования в «хвостовых» мембранных элементах на 20 - 25 % и, соответственно, увеличить срок фильтроцикла, уменьшив на эту же величину количество удаляемого карбоната кальция во время промывки. Наиболее эффективным из отечественных ингибиторов является «Аминат-К» производства НПФ «Траверс» (Москва). Оценка эффективности работы ф ингибитора определяется скоростью осадкообразования карбоната кальция в зависимости от ^С состава исходной воды и величины выхода фильтрата установки. Скорость осадкообразова- О ния в присутствии ингибитора «Эктоскейл» в 1,3 - 1,5 раза выше, чем в случае применения ^ ингибитора «Аминат-К». Поэтому к концу фильтроцикла (месяца эксплуатации) количество осадка, подлежащее удалению и растворению в случае использования ингибитора «Аминат-К» оказывается меньше.
Разработка ингибиторов, используемых для предотвращения образования отложений карбоната кальция, ведется на протяжении более 35 лет рядом отечественных и зарубежных компаний. Специфика применения ингибиторов солеотложений для установок обратного осмоса существенно отличается от применения ингибиторов в оборотных системах и теплосетях, поскольку в установках обратного осмоса значения пересыщения воды по карбонату кальция оказываются в несколько раз выше, чем в бойлерах и оборотных системах.
СО
V
Материалы и методы 0
со
Целью проведения экспериментов было обоснование возможности сокращения эксплуатаци- о
онных затрат установок обратного осмоса за счет применения современных эффективных инги- {5
и
биторов осадкообразования. Испытания проводились с применением серийных мембранных эле- >
ментов типа 4040 моделей производства фирмы С8М (Корея). Эксперименты проводились на воде ¡5
о
водозабора Ботаково, имеющей значение кальциевой жесткости на уровне 3,5 - 4 мг-экв/л и щелоч- *о
га
ности на уровне 6 мг-экв/л при величине общего солесодержания 600 - 650 мг/л. Использовались а
промышленные серийные мембранные аппараты стандарта 4040 с обратноосмотическими мем- 5
бранами ББЫ (селективностью по солям 95 - 96 %), и нанофильтрационными мембранами моделей ^ ^
90 ЫБ и 70 ЫБ (селективностью соответственно 90 % и 70 %) производства компании С8М (Корея). ^ |
В процессе экспериментов определялись составы очищенной воды в каждом аппарате схемы, С н
а также определялись скорости осадкообразования в каждом аппарате схемы (рис. 1). При прове- ■ 0
СО о
дении экспериментов по определению скоростей роста на мембранах отложений карбоната каль- ^ с
ция в исходную воду добавлялся самый распространенный в отечественной практике ингибитор щ 5
О ^
роста отложений «Аминат-К», производимый НПО «Траверс» (г. Москва). Рекомендуемая доза ин- ^ ^
гибитора составляла 5 мг/л. й §
С «
Рис. 2. Схема экспериментальной установки обработки подземной воды с нанофильтрационными и об-ратноосмотическими мембранами: 1 — бак исходной воды; 2—рабочий насос; 3—рулонный мембранный элемент в корпусе; 4—бак сбора пермеата; 5—теплообменник; 6—манометр; 7—водосчетчик исходной воды; 8 — водосчетчик пермеата; 9—водосчетчик концентрата; 10—регулирующий вентиль на байпасе насоса; 11 — регулирующий вентиль на линии исходной воды; 12—регулирующий вентиль на линии концентрата; 13—регулирующий вентиль на линии охлаждающей воды; 14—пробоотборники.
Рис. 3. Результаты экспериментов по определению эффективностей ингибиторов: зависимости скорости образования осадка карбоната кальция от величины коэффициента снижения объема К
Обсуждение результатов
Оценка эффективности применения ингибиторов в системах обратного осмоса производится на основе пилотных экспериментов, проводимых на промышленных аппаратах. Авторами оценка эффективности ингибиторов проводится на основе сравнения скоростей осадкообразования в рулонных мембранных элементах. Основными классами ингибирующих веществ являются фосфонаты (фосфоновые кислоты и их соли), полиакрилаты и органофосфаты. Производственный и исследовательской опыт убедительно показывает, что наиболее эффективными ингибиторами являются продукты класса фосфона-
тов. Однако внутри класса фосфонатов имеются существенные различия в эффективности ингибиторов, содержащих ОЭДФ, НТФ или соли этих кислот. Поэтому поставщики наиболее известных на рынке реагентов для мембранных установок (фирмы Genesis, Nalco, Траверс) усиленно борются за качество и стараются повысить эффективность своих разработок. Начало широкого внедрения установок обратного осмоса в питьевом водоснабжении в нашей стране и введение тендерных поставок сервисных реагентов свели на нет усилия фирм по разработке эффективных ингибиторов. Проблема состоит в правильном обозначении цели тендерной покупки и оценке качества предлагаемой продукции. Большой ошибкой, на наш взгляд, было объявление темы тендера как «ингибитора класса фосфонатов». Поэтому в конкурсе участвуют как ингибиторы ведущих производителей, так и просто поставщики ОЭДФ и НТФ, в основном, китайские. Результаты таких конкурсов всегда прогнозируемы. Однако, справедливости ради стоит сказать, что по своей эффективности ингибиторы отличаются не сильно: например, скорость образования карбоната кальция в аппаратах обратного осмоса при обработке подземной воды при использовании в качестве ингибитора ОЭДФ всего в 1,5 - 1,6 раза больше, чем при использовании существенно более дорогого ингибитора «Genesis-191». Поэтому возможно использование «не самых эффективных» ингибиторов в условиях, при которых ингибитор обеспечивает удовлетворительную эффективность (на водах с невысокой жесткостью).
Исследования, проведенные специалистами НПФ «Траверс», позволили определить «секрет» эффективности фосфонатных ингибиторов, который состоит в эффективном сочетании кислот (НТФ и ОЭДФ и их солей). Соотношение концентраций кислот и солей хорошо иллюстрируется на спектрах ЯМР ингибиторов «Аминат», «Эктоскейл» и НТФ (рис. 4). На спектрах видны рассчитанные значения соотношений ОЭДФ/МИДФ, а также отношение содержания НТФ/МИДФ. Спектр ЯМР ингибитора «Аминат» практически полностью совпадает со спектрами известных на рынке и высокоэффективных зарубежных ингибиторов «Permatreat 191» (Nalco) и ингибитора компании GENESIS. Для спектра ингибитора «Эктоскейл» также наблюдается высокое отношение концентраций МИДФ и НТФ, в отличие, например, от спектра ингибитора на основе чистой НТФ, где нет кислоты МИДФ, что делает его менее эффективным. Как показали наши исследования, чистые ОЭДФ или НТФ не проявляют высоких ингибирующих свойств и уступают более сложным композициям. Эффективность же ингибитора «Аминат-К» и других «фирменных» композиций («Эктоскейл», Permatreat 191) объясняется подбором наиболее эффективного соотношения в смеси натриевых солей двух аминофосфоновых кислот.
Рис. 4. Спектры ЯМР различных ингибиторов: а) Jurbysoft; б) «Эктоскейл»; в) Аминат-К
Z м
О
-I
м
D CD
х о со
0
1
га н
и >
н О
ю га а
s s J
ш га О «
И
С н
Ч S
Ш О
* S "i
S«
СО и
d о
Ш ч
с js 4 8
< S
Часто недобросовестные поставщики под видом «фирменных» ингибиторов продают практически чистую НТФ. Поэтому при организации тендерных покупок представляется целесообразным заказ фосфонового ингибитора с определенным соотношением заданных компонентов. И при получении новой партии ингибитора следует отбирать и отдавать в лабораторию образцы на предмет сравнения спектров ЯМР и подтверждения того, что закупаемый ингибитор не является «чистой» кислотой ОЭДФ или НТФ.
Параметры работы мембранных установок, которые отвечают за величину эксплуатационных затрат, это: затраты на электроэнергию, затраты на замену мембран, затраты на реагенты (на ингибитор и моющие растворы), затраты на сброс концентрата. При выбранной технологии повысить эксплуатационные параметры установки на ВЗУ «Ботаково» (снизить расходы на реагенты, на электроэнергию, на реагенты) не представляется возможным: реагенты закупаются по самым низким ценам, производительность мембран достигается при заданных величинах расходов насосов, снижение расхода концентрата ускоряет осадкообразование, сокращает продолжительность фильтроцикла и требует повышения расходов на моющие реагенты. Возможно перейти на использование эффективного ингибитора «Аминат-К» вместо используемого ингибитора «Эктоскейл». Благодаря высокой эффективности ингибитора «Аминат-К», в исходную воду можно дозировать не 4 мг/л (как рекомендовано производителем установки), а 2 мг/л. Возможность работы на сниженных дозах ингибитора «Аминат-К» подтверждена многочисленными исследованиями [19, 20]. Такая высокая эффективность ингибитора «Аминат-К» объясняется высокой адсорбционной способностью на поверхностях растущих кристаллов, что эффективно задерживает их рост [20]. При закупочной цене ингибитора «Эктоскейл» на уровне 106 тыс. руб. за тонну, использование ингибитора «Аминат-К» (закупочная цена которого составляет 200 тыс. руб. за тонну) с дозой 2 мг/л не увеличивает затраты на ингибитор и позволяет снизить на 10 - 15 процентов затраты на промывки мембран. Однако, ощутимый экономический эффект такая замена не дает. Эффективное использование ингибитора «Аминат-К» с дозой 1 мг/л ожидается при комплексном подходе по совершенствованию технологии ив сочетании с использованием нанофильтрационных мембран.
100
Амннат
60
Эктоскейл
30
о
1000
Время, ч
Рис. 5. Прогнозируемое снижение производительности мембран.
На рисунке 5 показаны результаты определения расчетов по программе для прогноза снижения удельных производительностей мембран для различных установок ТИНАО в зависимости от составов подземных вод. Как видно из рисунка, наиболее эффективно проходит эксплуатация установок Рогово (период работы 300 - 360 часов). Рекомендуемое время работы 240 - 250 часов подходит для объектов «Яковлевское», «Остафьево», «Ботаково». А для вод с высокой жесткостью и щелочностью (Вороново, Фабрика 12) рекомендуемое время работы составляет 210 часов. Все расчеты по программе проведены для случаев использования ингибитора «Аминат-К».
В случае использования ингибитора менее «сильного», т.е. обеспечивающего более высокую скорость образования в аппаратах осадка карбоната кальция, интервал времени между промывками сокращается, и годовые расходы на проведение промывок возрастают. На этом основана оптимизация применения ингибиторов осадкообразования. Принципы определения эксплуатационных характеристик установок обратного осмоса показаны на рис. 6. В случаях, как, например, на ВЗУ «Ботаково», когда выбранный период между промывками оказался длиннее рекомендованного, наблюдается постоянное, от месяца к месяцу, снижение производительности мембран (рис. 6, а) и ухудшение их производительности (рис. 6, б) и селективности (рис. 6, в), определяемой по величине удельной электропроводности пермеата. Это связано с постоянным накоплением осадка, не удаляемого полностью от промывки к промывке (рис. 6). Для групп установок, в зависимости от составов исходной воды, составлены графики снижения производительности мембран с течением времени (рис. 4).
Рис. 6. Определение времени между проведением промывок и количеств удаляемого осадка карбоната кальция: а) зависимость количества образовавшегося осадка от времени; б) снижение производительности установки с течением времени; в) рост удельной электропроводности пермеата с течением времени.
03
г
м О
-I
м
Э СО
х о и
0
1
га н
и >
н О
ю га а
ей га О «
И
С н
Ч 8
Ш о
"т СО ц
^ о
Ш ч С «
4 8 < 2
Подбор ингибитора следует вести, исходя не только из стоимости ингибитора, но, исходя из его эффективности и полученной благодаря его использованию величине затрат на проведение промывок. На рис. 6(а) представлен лежащий в основе всех оптимизационных расчетов график зависимости количества осадка от времени работы установки. График был получен для работы установки обратного осмоса на воде московского водопровода при использовании ингибитора «Аминат-К». Рекомендуемое время работы до проведения промывок (оптимальное значение) составляет 300 часов. В случае применения других ингибиторов (рис. 3), обеспечивающих более высокую скорость осадкообразования в аппаратах, время работы до промывки должно быть уменьшено. Так, скорость роста осадка при использовании ингибитора «Эктоскейл» в 1,4 раза превышает скорость накопления осадка в случае использования ингибитора «Аминат-К». Поэтому промывки следует проводить не через 300, а через 210 часов работы. Если мы проводим промывку через 300 часов, то в аппарате будет накоплено в 1,4 раза больше осадка. После проведения удаления «запланированного» количества осадка с помощью химических промывок, в аппаратах остается осадок, который продолжает накапливаться следующие 300 часов, и после проведения следующей промывки количество «оставшегося» на мембранах осадка удваивается. Так, после проведения четвертой промывки в аппарате остается количество осадка, накопленной за первые 300 часов непрерывной работы. Это объясняет, почему неправильно подобранные периоды работы до проведения промывок и эффективности ингибиторов вызывают непрерывное снижение производительности мембран и рост электропроводности пермеата (рис. 6).
Эксплуатационные затраты. Эксплуатационные затраты. Эксплуатационные затраты,
тыс. руб. тыс. руб. тас. руб.
Рис. 7. Расчет годовых затрат при использовании различных ингибиторов
Расчет годовых затрат при использовании различных ингибиторов представлен на рис. 7. Подбор «оптимального» ингибитора состоит в следующем. Например, рассмотрим работу установки производительностью 1000 куб.м в сутки (40 куб.м в час). Установка в среднем работает 300 часов в сутки. Промывки предусмотрены 12 раз в году. Используется ингибитор «Аминат-К», дозой 3 мг/л. Расход концентрата составляет 12 - 13 куб.м в час. Годовой расход ингибитора составляет 53 х 3 = 160 граммов в час х 300 = 48 кг/ месяц х 12 = 600 кг/год. Расход моющего раствора (лимонной кислоты) подбирается, исходя из среднего расхода 2 кг на один аппарат 8040, т.е. 40 х 2 = 80 кг на одну промывку, и 80 х 12 = 960 кг/год (1000 кг/год).
В случае использования ингибитора «Эктоскейл», при той же дозе ингибитора (и том же годовом расходе), —рис. 3—количество промывок возрастет в 1,4 раза, т.е. будет составлять 16 промывок в год. При этом расход лимонной кислоты в год составит: 1400 кг/год.
При стоимости лимонной кислоты 200 000 рублей за тонну, и стоимости ингибитора «Эктоскейл» 100 000 рублей за тонну, годовые затраты на реагенты составят: 200000 х 1,4 = 280000 + 60000 = 340000 руб./год.
Для случая применения ингибитора «Аминат-К», стоимость которого составляет 200 000 руб. за тонну (рис. 3.14 - 14, в), величина годовых эксплуатационных затрат составит: 200000 + 120000 = 320000 руб./год.
Перед закупкой ингибиторов следует запросить ингибиторы на основе фосфоновых кислот, запросить образцы, определить в лаборатории эффективность каждого образца и получить спектры ЯМР каждого образца. Выбор ингибитора должен производиться на основе лабораторных испытаний по определенной величине скорости осадкообразования карбоната кальция (рис. 3). Далее, при закупке больших объемов заданного ингибитора, следует отбирать пробы из каждой партии и делать спектры ЯМР образцов и сравнивать их со спектрами ЯМР испытанного в лаборатории на определение скорости осадкообразования образца. На рис. 3 представлены результаты сравнения эффективностей ингибиторов «Джурбисофт», «Аминат-К» и «Эктоскейл»—ингибиторов на основе фосфоновых кислот. На рис. 4 представлены спектры ЯМР образцов этих ингибиторов. Установлено, что высокая эффективность ингибитора определяется высоким содержанием МИДФ при синтезе ингибитора. Поэтому, во избежание поставок подделок, следует проводить входной контроль каждой партии путем определения спектров ЯМР в поставляемой партии и сравнения этого спектра со спектром образцов, на основании которых проводился выбор ингибиторов.
Для случая работы установки «Ботаково», когда одновременно используется лимонная кислота в качестве моющего раствора и ингибитор «Аминат-К» вместо ингибитора «Эктоскейл», экономический эффект оказывается существенно выше (Таблица 1). Благодаря применению более сильного ингибитора количество промывок уменьшено, доза ингибитора принята не 4 мг/л, а 2 мг/л, поэтому, несмотря на то, что ингибитор «Аминат-К» в два раза дороже, в целом его применение позволяет сократить общие расходы на реагенты (Таблица 1).
Таблица 1
Сравнение показателей при проведении промывок по рекомендуемой схеме и с применением предлагаемой технологии
№ п/п Параметры эксплуатации ВЗУ «Вороново» ВЗУ «Ботаково» ВЗУ «Рогово»
1 2 3 4 5
1 Рекомендуемое количество промывок в год Эктоскейл / Аминат 20 / 16 16 / 12 12 / 8
2 Рекомендуемый моющий реагент Лимонная кислота Лимонная кислота Лимонная кислота
03
г
м О
-I
м
Э СО
х о и
0
1
га н
и >
н О
ю га а
ей га О «
И
С н Ш о
"т
2 ™ СО ц
^ о
Ш ч
С « < ^
3 Расход моющего реагента на одну промывку, кг 60 250 12
4 Расход моющего реагента в год, кг Эктоскейл / Аминат 1 200 / 900 4 000/3 000 144 / 96
5 Стоимость моющего реагента, руб./т 100 000 100 000 100 000
6 Годовые затраты на химические промывки, руб. Эктоскейл / Аминат 120 000 / 90 000 400 000 / 300 000 14 400 / 9 600
7 Ингибитор / доза, мг/л Экоскейл / 4 Аминат / 2 Экоскейл/4 Аминат / 2 Экоскейл/4 Аминат / 2
8 Расход ингибитора, кг Эктоскейл / Аминат - в час - в сутки - в месяц - в год 0,24 / 0,12 2 / 1 60 / 30 720 / 360 0,72 / 0,36 7,2 / 3,6 216 / 58 2 592/ 1 296 0,050 / 0,025 0,5 / 0,25 15 / 7,5 180 / 90
9 Стоимость ингибитора, руб./т Эктоскейл / Аминат 100 000/200 000 100 000/200 000 100 000/200 000
10 Годовые затраты на ингибитор, руб./год Эктоскейл / Аминат 72 000 / 72 000 260 000 / 260 000 18 000 / 18 000
11 Итого затраты на реагенты, руб./год Эктоскейл / Амин ат 192 000/162 000 660 000/560 000 32 400 / 27 600
12 Годовые затраты на замену мембран, коб. 240 00 1 008 000 48 000
13 Су/ма годовых экшеует а-цион-ных за/рат, руб. Эктоскейл / Аминат 1 057 200 / 1 122 070 3 490 //70 / е 190 000 260 400 / 255 600
14 Расход пермеата в год Эк оскейл / Аминат ^(За/тоимтсбб. уку./ха Эктоскейл / Аминат 10 700/11 870 99 707447 070 2 88071 Т80
15 1057200 = 0 99 107000 ' т 1122222 -= 210,39 122220 ' 30999112 -= 0,44 448122 9 т 3309122 _ т о/" 444122 = 9 280422 -= 9,04 21122 9 т 211800 -= Щ НЮ! ,
16 СоТеттоимо/уе сучетом ыыаышанит, руббэ/ Эктоскейл / Аминат 1010222 = 7 014 144222 ' / 1122000 о= 7 09 144222 ' 3099417 ^9^1102 = 1900 т 33993102 -= 4,11 ^9^1102 , 280400 -= (9,135 31222 , т 211800 31222 _ ,
Выводы
1. Рассмотрены пути повышения эксплуатационных параметров работы установок обратного осмоса. Наиболее эффективным путем является замена обратноосмотических мембран на нанофильтра-ционные. Применение нанофильтрационных мембран для очистки подземных вод в целях питьевого
водоснабжения позволяет уменьшить интенсивность осадкообразования и одновременно снизить расход концентрата без опасности осадкообразования.
2. Производительность установки может быть увеличена на 40 - 50 %, при этом качество очищенной воды остается на уровне требований СанПиН. При этом расход концентрата может быть сокращен в 4 - 6 раз.
3. Также благодаря использованию нанофильтрационных мембран можно снизить дозу ингибитора до значения 1 мг/л и соответственно снизить величину эксплуатационных затрат на 40 %.
Библиографический список
1. Suratt W. B., Adrews D. R., Pujals V. J., Richards S. A. Design considerations for major membrane treatment facility for groundwater. Proceedings of the Conference on Membranes in Drinking and Industrial Water Production. v. 1. pp. 61 - 70. ISBN 0-86689-060-2. October 2000, Desalination Publications, L'Aquila, Italy.
2. Salman M. A., Al-Nuwaibit G., Safar M., Al-Mesri A. Performance of physical treatment method and different commercial antiscalants to control scaling deposition in desalination plant. Desalination. 2015. v. 356. pp. 294 - 313.
3. Turek M., Mitko K., Dydo P., Laskovska E., Jakobic-Kolon A. Prospects for high water recovery membrane desalination. Desalination. 2017. v. 401. pp. 180 - 189.
4. Val S. Frenkel, Alexey G. Pervov, Alexey P. Andrianov, Vladimir A. Golovesov. Investigation of antiscalant dosing influence on scaling process in reverse osmosis facilities and membrane surface adsorption. Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering. Volume 14. pp. 610 - 621. Issue 6. 2019. DOI: 10.22227/1997-0935.2019.6.
5. Jamaly S., Darwish N. N., Ahmed I., Hasan S. W. A short review on reverse osmosis pretreatment technologies. Desalination. 2014. v. 354. pp. 30 - 38.
6. Goh P. S., Lau W. J., Othman M. H. D., Ismail A. F. Membrane fouling in desalination and its mitigation strategies. Desalination. 2018. v. 425. pp. 130 - 155.
7. Jiang S., Li Y., Ladewig B. P. A review of reverse osmosis membrane fouling and control strategies. Science Total Environ. 2017. v. 595. pp. 567 - 583.
8. Li X., Hasson D., Shemer H. Flow conditions affecting the induction period of CaSO4 scaling on RO membranes. Desalination. 2018. v. 431. pp. 119 - 125.
9. Zimmer K., Hater W., Icart A., Jaworski J., Kruse N., Braun G. The performance of polycarboxylates as inhibitors for CaCO3 scaling in reverse osmosis plants. Desalination and Water Treatmen. 2016. v. 57. pp. 48 - 49.
10. Shahid M. K., Choi Y.-G. The comparative study for scale inhibition on surface of RO membranes in wastewater reclamation: CO2 purging versus three different antiscalants. Journal of Membrane Science. 2018. v. 546. pp. 61 - 69.
11. Li C., et al. Membrane fouling mitigation by coupling applied electric field in membrane system: Configuration, mechanism and performance. Electrochimica Acta. 2018. v. 287. pp. 124 - 134.
12. . Pervov A., Andrianov A., Rudakova G., Popov K. A comparative study of some novel «green» and traditional antiscalants efficiency for the reverse osmotic Black Sea water desalination. Desalination and Water Treatment. 2017. v. 73. pp. 11 - 21.
и z
H Û -I H
D
CÛ
x о u
0
1
ra
H
и >
н О
ю га а
s s J
cû га О «
H
С н
и. s
CÛ о
* É со 5
S «
CÛ и
CL О
ш q
с js
4 g < s
13. Oshchepkov M., Kamagurov S., Tkachenko S., Ryabova A., Popov K. Insight into the Mechanisms of Scale Inhibition. A case study of task-specific fluorescent-tagged scale inhibitor location on gypsum crystals. ChemNanoMat. 2019. v. 5. is. 5. pp. 586 - 892.
14. Первов A. Г., Рудакова Г. Я., Ефремов Р. В. Разработка программ для технологического расчета систем обратного осмоса и нанофильтрации с использованием реагентов «Аминат» // Водоснабжение и санитарная техника. 2009. № 7, стр. 21 - 28.
15. Головесов В. A., Первов A. Г., Сухов Г. Д., Рудакова Г. Я. Влияние выбора антискаланта на величину эксплуатационных затрат для установок обратного осмоса // Вестник МГСУ 2020. Т. 15. Вып. 5. С. 1138 - 1149.
16. Первов A. Г., Андрианов A. П., Головесов В. A., Данилычева М. Н. Изучение механизма образования кристаллических отложений в мембранных аппаратах и роли ингибиторов для предотвращения этого процесса // Мембраны и мембранные технологии. 2019. Т. 9. №6. С. 1 - 15.
17. Первов А. Г., Андрианов А. П., Ефремов Р. В., Головесов В. А. Новая технология сокращения расхода концентрата установок обратного осмоса // Мембраны и мембранные технологии. 2021. Т. 11. № 3. С. 202 - 210.
OPTIMIZATION OF REVERSE OSMOSIS MEMBRANE FACILITIES USED TO PRODUCE DRINKING WATER FROM GROUND WATER INTAKES
A. G. Pervov D. V. Spitsov
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University), Moscow
Abstract
The Keywords
reverse osmosis, nanofiltration; antiscalants, scaling on membrane surface, concentrate flow reduction; hardness removal, ammonia removal, fluoride removal
Main problems are described that occur during operation of reverse osmosis facilities that treat ground water to produce drinking water. Ways to reduce operational costs are discussed. Application of nanofiltration membranes reduces scaling rate and reduce concentrate discharge. Also antiscalant dosage can be also reduced that can reduce chemicals cost as well. Main goal of presented research was evaluation of ecological and economic efficiency of the developed technique.
Date of receipt in edition
Experiments were conducted to treat ground water to reduce hardness and ammonia. Scaling rates were determined in membrane modules depending on initial volume reduction coefficient K value.
14.03.22
Date of acceptance for printing
19.03.22
For the certain example of ground water composition an example ofmembrane facility operational costs evaluation is presented, membrane
models are selected, recovery values are determined. The use of nanofiltration membranes provided reduction of operation costs by 40 per cent due to lower use of antiscalant, power consumption and lower concentrate discharge.
The research demonstrated that replacement of reverse osmosis membranes by nanofiltration membranes at the existing membrane facility provides increase of product water flow by 40 - 50 per cent. Also concentrate discharge is reduced by 10 - 20 times. It was also determined that the use of nanofiltration membranes provides rejection of calcium and ammonia at lower pressure that also provides lower scaling rates and to ensure safe operation at higher recoveries.
Ссылка для цитирования:
А. Г. Первов, Д. В. Спицов. Исследования по оптимизации работы установок обратного осмоса, используемых для подготовки питьевой воды из подземных водоисточников. — Системные технологии. — 2022. — № 42. — С. 88 - 101.
О
ей
1-
и
J3
с;
ш
1-
S
О
I 1-
и 5
О
Z
М
О
-I
М
Э
СО
О со
0
1
га н
и >
н О
ю га а
s s J
ш га О «
И
С н
Ч i
Ш О
* S "i
S«
СО и
d о
Ш ч
с js 4 8
< S
