СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ ОБЕССОЛИВАНИЯ ВОДЫ

Выбор метода обессоливания и обуславливается качеством исходной и требованиями к качеству обработанной воды, производительностью установки и технико-экономическими соображениями. Оценка экономических показателей встречает определённые трудности, так как они зависят от многих факторов природного, технического и экономического характера. Для устранения вредного влияния минерализованных сточных вод на природные водоёмы на практике применяется ряд мер, в том числе строительство прудов-накопителей и прудов-испарителей, регулируемый сброс в водотоки, максимальное использование на производственные нужды предприятий, а также в сельском хозяйстве. Однако применяемые методы недостаточно эффективны.

Радикальное решение проблемы обезвреживания минерализованных вод, особенно с солесодержанием свыше 2-3 г/л, заключается в строительстве деминерализационных установок с комплексной переработкой образующихся рассолов на товарные солепродукты. Существуют общие рекомендации по использованию того или иного способа обессоливания, приведённые далее.

Баромембранные методы: обратный осмос

Из проведённого анализа следует, что в последнее время для обессоливания сточных вод с целью возврата их в производственный цикл перспективными и приобретающими все большее распространение являются баромембранные процессы.

За рубежом наиболее широкое распространение в промышленности получили мембранные установки обратного осмоса: Dow Chemical «Filmtec», GE Osmonics, Toray, Norit, Inge, Hydranautics и др. В России для сборки установок обратного осмоса широкое применение находят как рулонные и половолоконные элементы перечисленных выше производителей, так и отечественные обратноосмотические ацетатцеллюлозные (АЦ) и полиамидные (ПА) полимерные мембраны производства НТЦ «Владипор».

В идеале фильтрат и концентрат после обратноосмотической установки возвращается в технологию цикла [1].

К преимуществам обратного осмоса по сравнению с прочими методами обессоливания относят [2; 3; 4; 5]:

• отсутствие необходимости в использовании большого количества реагентов (для корректировки рН, ингибирования солеотложения и периодической промывки мембран);
• отсутствие необходимости в потреблении греющего пара, нагрева исходной воды;
• простоту аппаратурного оформления и стандартность комплектующих, за счёт чего системы легко ремонтируются, реконструируются и увеличиваются;
• сокращает занимаемые площади без потери эффективности;
• возможность лёгкой автоматизации процесса;
• универсальность для обессоливания сложных с точки зрения солевого состава вод.

Недостатком применения обратного осмоса является необходимость тщательной предподготовки – к качеству питательной воды установок обратного осмоса предъявляются следующие требования: содержание активного хлора должно быть менее 0,1 мг/л; растворённого кислорода менее 2 мг/л; мутность не более 1 NTU; индекс SDI менее 5; ХПК менее 15 мг О₂/л; БПК менее 5 мг О₂/л, низкая бактериальная обсемененность.

Можно сделать вывод, что по достигаемой глубине очистки обратный осмос занимает одно из первых мест и является наиболее перспективным для создания водооборотных циклов.

Метод выпаривания

В реализации и усовершенствовании дистилляционного метода (выпаривания) основные усилия направлены на повышение эффективности различных типов выпарных аппаратов и снижение тепловых затрат за счёт использования вторичного тепла и дешёвой тепловой энергии, вырабатываемой атомными электростанциями. Анализ современных тенденций в технологии опреснения морской воды показывает, что многостадийные испарители с вертикальными трубами работают надёжнее других и более предпочтительны в отношении предотвращения образования накипи.

Интенсивно развиваются методы дистилляции, основанные на  применении плёночных испарителей в восходящем и нисходящем потоках, а также горизонтально-трубчатых пленочных испарителей. Сжатие пара, использование тепла вторичного пара применяется в условиях ограниченных ресурсов тепловой энергии для средних и малых установок.

Важной проблемой при дистилляционном методе опреснения минерализованных вод является необходимость предотвращения отложений сульфата кальция (сульфатной накипи) на поверхности теплообмена выпарных аппаратов. Методы борьбы с накипеобразованием развиваются наряду с совершенствованием процессов выпаривания.

В литературе широко представлены способы обессоливания воды различного состава выпариванием загрязнённых вод с последующей конденсацией вторичного водяного пара. После выпаривания сконцентрированные отходы в виде насыщенных рассолов или твердых продуктов (кристаллов солей) направляются на утилизацию или захоронение, а конденсат вторичного пара подается на повторное использование в производство.

Для выпаривания растворов используются выпарные аппараты различных типов, в том числе испарители реакторного типа, циркуляционные, пленочные, с рекомпрессией греющего пара, испарители мгновенного вскипания и др. Высокая интенсивность теплообмена достигается в выпарных аппаратах пленочного типа, в которых процесс испарения осуществляется в тонком слое жидкости. К таким аппаратам относятся вакуум-выпарные пленочно-трубные испарители вертикального или горизонтального исполнения (ВПУ), прямоточные роторно-пленочные испарители (РПИ), испарители мгновенного вскипания.

Выпаривание, как правило, происходит в две стадии:

1-я стадия. Испарительный многоступенчатый блок плёночных вертикально-трубчатых испарителей. Ступени компонуются в малогабаритный моноблок со встроенным конденсатором для конденсации образующегося вторичного пара, насосным оборудованием, КИПиА. На первой стадии в испарительном блоке – упарка раствора до состояния, близкого к насыщенному раствору с солесодержанием 22-26%. Данный тип испарителей с трубами специального профиля обеспечивает наиболее высокий коэффициент теплообмена, менее подвержен солевым отложениям. Процесс проходит под вакуумом.

2-я стадия. Вакуум - кристаллизатор с выносной греющей камерой – осуществляется концентрирование солевого концентрата 1-ой стадии до пересыщенного состояния (40-45%) с формированием кристаллов солей и вывода солевой суспензии на дальнейшие стадии сгущения и получения твёрдых кристаллов солей.

Степень концентрирования выпариванием может быть скорректирована в соответствии с требованиями Заказчика, но не более 90%, поскольку более глубокое упаривание приведет к ухудшению качества очищенной воды.

В последнее время получает широкое распространение новый энергосберегающий тип выпарных аппаратов – с тепловым насосом, а также – с механической рекомпрессией вторичного водяного пара (МРП). В обычных выпарных аппаратах вторичный пар, образующийся при выпаривании раствора, конденсируется и охлаждается в теплообменниках оборотной водой, а конденсат вторичного пара используется для нужд производства. В МРП - испарителях вторичный пар сжимается механическим компрессором, при этом механическая энергия переходит в тепловую, и температура пара повышается. При конденсации сжатый пар отдаёт тепло выпариваемому раствору, а образующийся при этом конденсат нагревает исходный раствор, поступающий в выпарной аппарат.

Потребности процесса в энергии ограничиваются в принципе только той энергией, которая необходима для привода насосов, что составляет 2-35 кВт×ч /м³ воды.

Испаритель с МРП не может концентрировать солевой раствор выше начала кристаллизации солей (порядка 20-29%, что определяется составом солевого раствора) и не позволяет получать кристаллические солевые продукты, поэтому для получения солей в сухом виде на второй ступени необходима установка доконцентрирования.

Отмечают основные достоинства использования выпарных установок для обессоливания воды:

• позволяет возвратить в производство до 90 % очищенной воды; обеспечивает очистку воды до солесодержания 20-80 мг/л;
• позволяет получить отходы в виде твёрдых солей;
• не требует дополнительных реагентов для проведения процессов, не образуются дополнительные объёмы загрязненных сточных вод;
• проведение обессоливания воды с различной минерализацией;
• простота организации контроля;
• требует небольших производственных площадей для размещения оборудования.

Основные недостатки: потребность дополнительных затрат греющего пара, электроэнергии и организация оборотного цикла охлаждения оборудования; для МРП испарителей – необходимость в греющем паре и охлаждающей воде отпадает.

Для каждого из рассмотренных методов характерны свои преимущества и недостатки и часто при использовании комбинированных методов достигается больший положительный эффект по сравнению с использованием каждого метода в отдельности.

Ниже на диаграмме указаны рекомендуемые границы применения различных методов обессоливания в зависимости от солесодержания исходной воды и суточной производительности установки обессоливания (обращаем внимание на рекомендательный характер данной диаграммы).

Рисунок 1. Границы применения различных методов обессоливания

Исходя из диаграммы, следует:

Стоимость обессоливания воды ионообменном сильно возрастает с увеличением содержания соли в воде; одновременно, снижается глубина обессоливания воды. Поэтому обессоливание ионообменном (ионный обмен смешанного действия, обычный или с непрерывной регенерацией) предпочтительно для большой суточной потребности вод с низкой степенью минерализации менее (до 100 мг/л).

Учитывая новые разработки в области обратного осмоса, а именно разработка низконапорных, высокопроизводительных и высокоселективных мембран (энергосберегающих), резко расширилась область использования мембранной технологии. В частности, обратного осмоса. В широком диапазоне солесодержания (0,15-50 г/л) опреснительные мембранные установки по экономическим показателям соизмеримы с электродиализаторами, и выгодно отличаются от ионного обмена. Как правило, мембранные методы применяются для обессоливания вод с солесодержанием до 70 г/л, при этом степень отбора фильтрата составляет не более 30%.

Опреснение высококонцентрированных рассолов экономически выгодно проводить дистилляцией (выпариванием). В  переходных областях, где не прослеживается явное преимущество одного из  рассматриваемых методов, выбор делается на основе экономического сравнения методов с учетом состава исходной   и требований к качеству обработанной воды.

Применение современного высокоэффективного и энергосберегающего оборудования – это путь, позволяющий снизить эксплуатационные затраты на проведение процесса и обеспечить экологическую безопасность производства. При этом достигается качество воды, пригодное как для возврата на технологические нужды, так и на слив в водоем культурно-бытового назначения с обеспечением норм ПДК.

Список литературы:

1. Френкель В.С. Мембранные технологии: прошлое, настоящее, будущее / В.С. Френкель // ВСТ. – 2010. – №8. – С. 48-52.
2. Карелин Ф.Н. Обессоливание воды обратным осмосом. - М.: Стройиздат, 1988. - 208 с.
3. Десятов А.В. и др. Опыт использования мембранных технологий для очистки и опреснения воды. М.: Химия, 2008. С. 240. Экология производства. 2005. №9.
4. Первов А. Г. Современные высокоэффективные технологии очистки питьевой и технической воды с применением мембран: обратный осмос, нанофильтрация, ультрафильтрация / А. Г. Первов. – М. : МГСУ : Изд-во АСВ, 2009. – 231 с.
5. Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования / Б.Е. Рябчиков. - М.: ДеЛи принт, 2004.