Технологический анализ работы установки обратного осмоса на подземном водозаборе

Технология обратного осмоса неуклонно развивается в течение последних десятилетий. Обратный осмос активно внедряется в технологические схемы подготовки воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения, в теплоэнергетике, пищевой промышленности и других отраслях. К достоинствам обратного осмоса относят эффективность, компактность и высокую степень автоматизации [1–3].

Один из факторов, сдерживающих широкое применение обратного осмоса, – это высокие требования к качеству воды, поступающей на установки обратного осмоса (УОО) [2, 4–6]. Недостаточное качество питающей воды приводит к увеличению вероятности появления отложений на поверхности мембран, снижению сроков их эксплуатации [7–11]. Кроме того, вероятность появления отложений возрастает при периодическом режиме работы УОО, который требует консервации мембран и дополнительных промывок [5, 12].

Значительное количество исследований направлено на снижение отложений на мембранах. Во-первых, возможно совершенствование характеристик мембранных материалов, модификация поверхности мембран [3, 13–15] и конструкции мембранных модулей [16]. Во-вторых, разработка и подбор ингибиторов отложения солей [8, 17, 18], использование ультразвука [19]. В-третьих, повышение качества воды, поступающей на УОО, для снижения осадкообразования на мембранах [2, 5].

Важнейшим этапом предварительных изысканий при проектировании мембранных установок является оценка склонности исходной воды к осадкообразованию [20]. С этой целью предлагается рассчитывать следующие величины: Silt Density Index (SDI) – индекс плотности взвешенных частиц в единице объема воды – определяет снижение производительности мембран за счет образования на их поверхности загрязнений, состоящих из взвешенных и коллоидных микрочас- тиц; Permanganate Demand (PD) – индекс перманганатной окисляемости, определяющий влияние органических веществ в исходной воде на загрязнение мембран; LSI – индекс насыщения Ланже-лье, который позволяет оценить формирование на поверхности мембран карбонатных осадков [4, 6].

Цель настоящего исследования – выявить причины неудовлетворительной работы УОО в составе технологической схемы очистки подземных вод и дать рекомендации по ее улучшению на основе оценки склонности исходной воды к образованию отложений на мембранах УОО. Выработанные предложения будут актуальными для проектирования и эксплуатации установок обратного осмоса.

Методы исследования

Объект исследования – водоподготовительная установка (ВПУ) на подземном источнике с повышенным содержанием радона. Водозабор осуществляется из двух скважин глубиной 70 метров и дебетом 220 м ³ /сут. ВПУ обеспечивает водой питьевого качества терминал аэропорта. Технологическая схема водоподготовки включает УОО, которая является наиболее эффективным решением при радиологическом загрязнении подземных вод [2]. Однако опыт эксплуатации показал неустойчивость и неэффективность работы УОО.

Вычисление индекса плотности осадка (SDI) воды после предочистки на входе в УОО проводили по стандартной методике, описанной в [6], при давлении 2,07 бара (0,21 МПа). В каждом опыте воду объемом 500 мл пропускали через калиброванную мембрану 0,45 мкм. Время, затраченное на отбор 500 мл фильтрата, фиксировали.

Основные технические характеристики системы водоподготовки представлены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики водоподготовительного узла

Наименование характеристики	Значение
Производительность станции, м 3 /сут	202,48
Расход воздуха на аэрацию, м 3 /ч	36
Степень извлечения пермеата, %	85
Подмес исходной воды, %	10–15
Максимальный напор на входе в сеть наружного водопровода, м	60

LSI вычисляли по выражению

^*^^конц   рНконц   рНнасыщ, где рНконц - водородный показатель концентрата установки обратного осмоса; рНнасыщ - расчетный водородный показатель насыщенного раствора, который определяется с учетом номограммы [21] согласно выражению

РН насыщ = / 1 (О — f 2 (C0 2+ - / 3 (Щ) + / 4 (Р), где / 1 (t) - функция температуры воды; /₂ (Ca²⁺) -функция содержания в воде катиона кальция в г/л; / 3 (Щ) - функция щелочности воды; /₄ (Р) - функция общего солесодержания воды.

Показатели качества воды в скважинах и на различных стадиях водоподготовки определяли по стандартным методикам [22].

Результаты и обсуждение

Анализ качества подземных вод, поступающих на ВПУ, был выполнен до начала эксплуатации скважин и выявил превышение по ряду показателей (табл. 2): радон, α -активность, мутность, сероводород, железо, фтор, жесткость.

Таблица 2

Показатели качества подземных вод

Показатель качества	Единицы измерения	Скважина 1	Скважина 2	Требования к питьевой воде по [СанПиН 2.1.4.1074-01]
Радионуклидов Радон-222	Бк/кг	81 ± 13	67 ± 12	не более 60
Альфа-активность	Бк/кг	0,3 ± 0,006	0,59 ± 0,05	не более 0,2
Водородный показатель	ед. рН	7,35 ± 0,15	7,75 ± 0,2	6-9
Мутность (по каолину)	мг/л	0,52 ± 0,1	1,8 ± 0,36	не более 1,5
Окисляемость перманганатная	мгО/л	2,0 ± 0,4	1,2 ± 0,24	не более 5
Общая минерализация	мг/л	493 ± 44	570 ± 51	не более 1000
Нефтепродукты	мг/л	0,028 ± 0,01	менее 0,2	не более 0,1
Сероводород	мг/л	0,71 ± 0,13	менее 0,002	не более 0,003
Железо общее	мг/л	менее 0,05	1,6 ± 0,24	не более 0,3
Фтор	мг/л	7,35 ± 0,15	1,38 ± 0,33	не более 1,5
Жесткость общая	мг-экв/л	6,1 ± 0,9	12,7 ± 1,14	не более 7
Магний	мг/л	34 ± 5,1	82,69 ± 12,4	не более 50
Кальций	мг/л	66,1 ± 9,9	112,2 ± 12,3	не норм.
Натрий	мг/л	71,1 ± 7,1	11 ± 0,63	не более 200
Калий	мг/л	0,7 ± 0,1	2,2 ± 0,2	не норм.
Гидрокарбонаты	мг/л	519 ± 0,6	543 ± 43	не норм.
Сульфаты	мг/л	61,8 ± 6,8	21,1 ± 4,2	не более 500
Хлориды	мг/л	10 ± 1,5	11,3 ± 1,8	не более 350
Силикаты	мг/л	9,3 ± 0,6	3,55 ± 0,21	не более 1000

УОО содержит восемь мембранных элементов среднего давления. Степень отбора пермеата, по данным табл. 1, составляет 85 %. Экономически эффективная эксплуатация УОО начинается со степени отбора пермеата 70 % и выше [16]. Установка запроектирована на предельных значениях и ограничена в технологических регулировках. Однако чем выше селективность мембран и степень извлечения пермеата, тем выше вероятность и интенсивность появления отложений [16–18, 23].

При эксплуатации системы водоподготовки были выявлены следующие проблемы: вынос мелкого песка; образование осадка в аэраторе; загрязнение префильтров УОО; снижение производительности УОО; отложения на мембранах.

Для исправления ситуации рекомендовано: тампонаж третьей, разведывательной скважины; введение режима ротации скважин каждые 15 минут; периодическая химическая промывка мембран; увеличение расхода на подмес до 15 % и уменьшение степени отбора пермеата до 75 %; увеличение частоты замены картриджей префильтра УОО; дополнительное оснащение технологической схемы фильтрами механической очистки с автоматической промывкой. В результате схема приобрела законченный вид, представленный на рис. 1. Авторы [2] рекомендуют проектное число установок обратного осмоса определять добавлением к числу рабочих двух резервных, при этом количество рабочих установок составляет 2–3.

Из геологической характеристики скважин известно, что водоносный пласт состоит из слоев глинистых и хлоридных сланцев. Сланцы содержат силикатные породы, которые в основном состоят из щелочноземельных (Ca, Mg) и щелочных (Na, K) металлов. Согласно работам [24, 25] в гидролитическом процессе в силикатных породах происходит замещение щелочных и щелочноземельных металлов в кристаллической решетке минералов ионами H ⁺ . Это приводит к образованию гидрокарбонатных вод с низкой минерализацией. С увеличением количества растворенного углекислого газа возрастает растворимость карбоната кальция CaCO₃ до 300–500 мг/л. При pH>7,5, концентрации гидрокарбонатов более 300 мг/л и минерализации свыше 600 мг/л достигается предел растворимости карбоната кальция и происходит незначительная аккумуляция в подземной воде гидрокарбоната натрия NaHCO₃ c высокой растворимостью. Кремний слабо растворим и находится в подземных водах в виде аморфного гидратированного диоксида кремния SiO 2 , являющегося основной формой при pH < 8,5 [26].

Анализ исходной воды показал наличие незначительного количества силикатов. Таким образом, подземные воды относятся к околонейтраль-ным маломинерализованным содовым водам Урала (pH 7,0–7,5; минерализация 0,06–0,6 г/л; NaHCO3 < 20–30 %, редко 40–50 %) в соответствии с классификацией [25]. Такие выводы подтвержда-

Рис. 1. Технологическая схема ВПУ: Скв.1, Скв.2 – насосные станции первого подъема скважин 1 и 2; ФМО1.1, ФМО1.2, ФМО2, ФМО3 – фильтры механической очистки; Аэратор 1.1 и 1.2 для отдувки радона; НС2 – насосная станция второго подъема; УОО – установка обратного осмоса со встроенным префильтром; РЧВ1.1, РЧВ1.2 – резервуары чистой воды; НС3 – насосная станция третьего подъема;

УФ-обеззараживатель – ультрафиолетовый обеззараживатель

ет гипотетический солевой состав исходной воды, полученной в результате смешения воды скважин 1 и 2 в соотношении 1:1 (рис. 2).

Рис. 2. Гипотетический состав солей усредненной исходной воды

В рамках исследования было выполнено измерение индекса SDI на входе в УОО. Результаты измерений представлены табл. 4. Температура воды при заборе проб 7 ^о С.

Расчет индекса плотности осадка SDI по вы-

ражениям:

$0, 5 =1^ (1 -9

=т(1 - 57 ) =™

SDI„

SDI 15

™(1 100 (1

J01A ^100(1 t₁₀       10

м _ 100 л 1 15        15

36 ) = ⁵,8;

110 ⁾ = ^4,5.

Для устойчивой работы УОО необходимо обес-

печить SDI воды, подаваемой на осмос, ниже 3 [4, 6,

Надежная работа УОО зависит от соблюдения норм качества подаваемой на установку воды [4]. В табл. 3 представлено сравнение качества воды, поступающей на УОО, с рекомендованными значениями [4]. Исследуемая вода не удовлетворяет требованиям по следующим показателям: «мутность», «железо общее», «сероводород».

21, 27]. При значении SDI 3–5 вода считается проблемной. SDI 15 находится в пределах допустимого 3 ≤ SDI 15 ≤ 5, но в зоне нестабильной работы.

Для расчета индекса LSI выполнен отбор проб исходной воды, воды после предочистки (на входе в УОО), пермеата и концентрата (табл. 5).

Согласно номограмм [28] имеем:

Ь51_конц. = 8,27 - (2,45 - 2,3 - 3,5 + 8,95) = = 8,27 - 5,6 = 2,64.

Значение индекса Ланжелье положительное, значит, концентрат перенасыщен по карбонату кальция. Следовательно, существует вероятность образования осадка карбоната кальция CaCO 3 на мембранах.

Таблица 3

Качество воды, поступающей на УОО

Наименование показателя	Единицы измерения	Требования к исходной воде	Содержание в усредненной исходной воде
Взвешенные вещества (мутность), не более	мг/л	0,6	1,16
Жесткость общая, не более	мг-экв/л	20	6,8
Общее солесодержание, не более	мг/л	50 000	630
Цветность, не более	градус	3	–
рН исходной воды, не более		3–10	7,67
Коллоидный индекс (SDI), не более	мг/л	до 5	–
Железо общее, не более	мг/л	0,1	0,8
Нефтепродукты	мг/л	отсутствие	менее 0,2
Сероводород	мг/л	отсутствие	0,355
Твердые абразивные частицы	мг/л	отсутствие	–
Свободный активный хлор, не более	мг/л	0,1	–
Окисляемость перманганатная, не более	мгО/л	2,0	1,7

Результат измерения времени отбора проб

Таблица 4

Проба	t1	t5	t10	t15
Время, с	36	57	86	110

Лабораторный анализ качества воды в пробах

Таблица 5

Точка отбора пробы	pH	Общее соле содержание, мг/л	Жесткость общая, мг-экв/л	Жесткость кальциевая, мг-экв/л	Щелочность, мг-экв/л	Кальций, мг/л
1. Исходная вода скв. 1	7,67	406	6,1	3,3	9,05	66,13
2. После предочистки	8,12	248	3,5	1,8	5,8	36,07
3. Пермеат	6,48	19	0,2	0,08	0,45	1,6
4. Концентрат	8,27	1140	19,6	9,8	29,1	196,4

Результат расчёта равновесия карбонатов при аэрации

Таблица 6

Точка отбора пробы	[HCO 3– ]	[CO 2 ]	[CO 32– ]	pH	Щ о	Δ G
Исходная вода	9,03	0,43	0,02	7,67	9,05	0,26
Вода после аэрации	5,75	0,09	0,05	8,12	5,8	0,03

Автор работ [29, 30] рассматривает природную воду как гидрокарбонатный буферный раствор с системой равновесия между растворенным углекислым газом CO₂, гидрокарбонатом HCO₃ ^– и карбонатом CO 3^2– . Процесс аэрации нарушает это равновесие, изменяя концентрацию углекислоты. Автор [9] предлагает рассчитать изменения концентраций [CO 2 ], [HCO 3^– ] и [CO 3^2– ], а также изменение энергии Гиббса как условие диссоциации угольной кислоты по уравнению

Н₂ СО 3 = Н₂ О + СО₂ = Н⁺ + НСО " = 2Н⁺ + CO j"

Формулы для расчета концентраций с учетом констант равновесия при диссоциации в две стадии:

[НСО^-] = Щ о ^{[Н +} ] ; [СО₂] = ^{[н+][нсо-]} ;

^{L      3 J}     К Д2 +[Н⁺] ^{L 2J}         К д 1

[СО 3" ] = Щ_о - [НСОП;

К Д1 =" ^Н + СН5 ^Оа = 4,45 ■ 10 " ⁷;

к д 2 -‘тНСООр =^{5,60 х} 1°"“.

Аэрирование воды приводит к уменьшению энергии Гиббса. Рассчитать её можно по известным концентрациям по формуле

^б₂⁰₉₈₁₁₅ = -527,6[СО₃² " ] + 62О,О[СО₂ ].

Согласно расчетам (табл. 6), гидрокарбонат-ное равновесие смещено в сторону образования карбонатов. Это объясняет образование осадка и увеличение мутности воды в аэраторе.

Кроме того, в слабощелочной среде в аэраторе происходит окисление двухвалентного железа до трехвалентного гидроксида железа Fe(OH)3 с выделением углекислоты. Вероятно, при останове скважин также возможно нарушение гидрокарбо-натного равновесия из-за выделения углекислоты в стволе скважины. Результатом этого процесса является повышение мутности воды в скважине после останова насосов.

Таким образом, расчет индексов SDI, LSI и энергии Гиббса углекислотного равновесия подтверждают склонность воды, поступающей на УОО, к осадкообразованию. Для замедления образования отложений на мембранах УОО возможны варианты технических решений без изменения и с изменением технологической схемы.

Технические решения по снижению загрязнения мембран без изменения технологической схемы следующие: подкисление исходной воды раствором серной кислоты после ФМО 1.1 и 1.2 [1, 12]; замена RO-мембран в УОО на наномембраны [23, 31]; подкисление исходной воды раствором серной кислоты с целью понижения значение pH воды до 6,8 и замедления реакций образования нерастворимых соединений железа и кальция. Однако излишнее подкисление может привести к образованию нерастворимых солей сульфатов щелочноземельных металлов, в первую очередь, сульфата кальция. Наномембраны, по сравнению с ОO-мембранами, обладают меньшей селективностью (85 %), поэтому интенсивность образования отложений будет ниже.

Технические решения по снижению загрязнения мембран с изменением технологической схемы возможны следующие: подкисление исходной воды раствором серной кислоты после ФМО 1.1 и 1.2 и исключение из схемы аэрации, при этом удаление радона обеспечивается вытяжкой из РЧВ [1, 32]; коагуляция и установка ультрафильтрации после аэрации [2, 4, 16, 27, 31]. Если отказаться от аэрации и снизить pH исходной воды, то можно снизить вероятность образования нерастворимых солей и продуктов окисления, процесс дегазации (удаления радона и углекислоты) организовать с помощью вытяжной вентиляции через горловину РЧВ. Коагуляция воды в аэраторе с последующей ультрафильтрацией позволит осадить взвешенные вещества и нерастворимые соли в воде, поддаваемой на УОО, однако ультрафильтрация потребует повышения расхода воды на собственные нужды.

Выводы

• 1.    Интенсивность отложения солей на мембранах УОО определяется составом исходной воды и методами предварительной ее обработки перед подачей на УОО.

• 2.    Для оценки склонности питающей воды к образованию осадка на УОО рассчитаны индексы SDI и LSI. Оба показателя подтверждают склонность воды к образованию осадка на мембранах УОО, в первую очередь карбоната кальция.

• 3.    В аэраторе происходит нарушение гидро-карбонатного равновесия, что доказано расчетом энергии Гиббса углекислотного равновесия. Это явление приводит к образованию осадка карбонатов в аэраторе и повышению мутности, что следует учитывать при разработке конструкции аэратора.

• 4.    При эксплуатации УОО степень извлечения пермеата не должна превышать 75 %. Следует избегать останова в работе скважин, рекомендуется режим ротации скважин каждые 15 минут.

• 5.    Оптимизация работы ВПУ требует дальнейших технологических исследований. При дефицитном водном балансе наиболее приемлемыми

техническими решениями являются подкисление исходной воды раствором серной кислоты и замена ОО-мембран на наномембраны или исключение из схемы аэрации с удалением радона из РЧВ.