Критические параметры обратного осмоса и противоточного ионного обмена

К. т. н. С.Л. Громов (ЗАО «НПК Медиана - Фильтр»)

Технологии водоподготовки, в которых все чаще применяются процессы мембранного разделения (обратного осмоса, нано -, ультра - и микрофильтрации воды) и противоточная регенерация ионитов (ионообменных смол) в фильтрах обработки воды периодического действия, получили достаточно широкое распространение на территории России за последнее десятилетие. Отечественные потребители на практике оценили преимущества, которые возникают при эксплуатации установок водоподготовки, использующих современные технические решения.

Вместе с тем, приходится констатировать, что в ряде случаев эффект от внедрения передовых технологий водоподготовки оказывается существенно ниже ожидаемого, а, иногда, потребитель оказывается в ситуации, когда попытка запуска смонтированной установки сопряжена с риском серьезных повреждений установленного оборудования.

Обратный осмос является наиболее изученным среди перечисленных выше мембранных технологий водоподготовки, тем не менее, ошибки при его реализации, увы, не редкость. И, к сожалению, бывает так, что результатом этих ошибок становится формирование в сознании стойкого неприятия самой идеи мембранной технологии.

Хотя причина указанных ошибок зачастую кроется в недобросовестности (или низкой квалификации персонала) инжиниринговой компании, с которой потребителем был заключен контракт. В этой связи исключительную важность приобретает осведомленность потенциальных потребителей о существовании критических параметров и границах областей применения предлагаемых к реализации технологий водоподготовки.

Цель данной статьи состоит в стремлении привлечь внимание только к основным технологическим факторам (без претензий на всеобъемлющий ситуационный анализ), которые имеют исключительно важное значение для качественной и стабильной работы установок обратного осмоса и применяемых в России технологий противоточной регенерации ионообменных смол, особо подчеркнув необходимость четкого изложения указанных выше факторов в технических заданиях на проектируемые установки.

Обратный осмос

Выбор источника водоснабжения играет исключительно важную роль для грамотного конструирования обратноосмотической установки водоподготовки. И здесь играет роль не только химический состав воды, но и ее происхождение. Распространено мнение, что тем, какая вода используется в качестве исходной (например, поверхностная, скважинная или водопроводная ), определяется только структура технологической схемы предподготовки. Но, в действительности, оптимальный выбор оборудования непосредственно обратноосмотической установки и типа используемых мембранных элементов зависят от вида источника водоснабжения, т. к. проблемы, возникающие, например, при потреблении воды поверхностной (сезонные колебания качественного состава, широкий диапазон изменения температуры, присутствие органики и микробиологических загрязнений в воде и т. д.) в корне отличаются от проблем, сопровождающих применение воды из скважин.

Конечно, одним из наиболее важных и привычных факторов, оказывающих доминирующие влияние на качество работы обратного осмоса является грамотное проектирование системы предподготовки воды и скрупулезная реализация проекта.

Практически повсеместно не упускают из рассмотрения вопросы удаления из воды свободного хлора и других сильных окислителей, железа, марганца, взвесей (в том числе коллоидных ), снижения содержания органики в воде, подаваемой на водоподготовительную установку обратного осмоса.

Как правило, адекватное внимание уделяют и вопросу о жесткости воды, рассматривая в качестве альтернативы и умягчение на ионитах, и подкисление, и ингибирование.

Возникающие при этом просчеты обычно обусловлены отсутствием внимания к сопутствующим факторам (содержанию в воде органики, сульфатов, значению рН и т. п.).

Довольно часто причины, вызывающие многочисленные нарекания при эксплуатации установок водоподготовки на основе обратного осмоса, кроются в ошибках с выбором решений на стадии микрофильтрации воды, предшествующей обратному осмосу. Еще нередки случаи, когда потребители вспоминают о необходимости предподготовки перед обратным осмосом, только когда пытаются запустить установку водоподготовки в работу. Кроме того, очень мало кто из потребителей при анализе предложенний, присланных для участия в тендере, обращает внимание на такие факторы, как :

• расчетная рабочая температура;
• рабочее давление в сочетании с коэффициентом запаса на отравление мембраны;
• гидравлический к. п. д. установки (отношение расхода пермеата к расходу исходной воды );
• значение среднего удельного расхода пермеата через единицу поверхности мембранногоэлемента;

не говоря уже о такой «экзотике», как предельно допустимые в рассматриваемых условиях для конкретного типа мембранных элементов значения;

• расхода пермеата;
• гидравлического к. п. д.;
• расходов потоков через индивидуальный элемент,
• а также индексов насыщения малорастворимых солей в исходной воде и концентрате.

Правда, в наши дни стало модным решать по следнюю проблему методами ингибирования солеотложений. Кажущиеся простота, эффективность работы и, иногда, доступность ингибиторов предопределили интерес к их широкому внедрению.

В немалой степени, этот интерес был вызван также стремлением к повышению гидравлическо к. п. д. водоподготовительных установок обратного осмоса, без внесения каких бы то ни было корректив в гидравличе ские схемы, что является опасной иллюзией!

Мало того, ошибка с дозой ингибитора может при определенных условиях провоцировать процессы образования гелей в пограничном слое над поверхностью мембраны, а, если этот эффект совпадет со случаем, когда повальное (и часто бездумное)увлечение ингибированием, подвигло некоторых разработчиков к удешевлению проектов обратноосмотических установок водоподготовки за счет отказа от станций химической мойки, то потребитель обречен практически на непрерывную замену мембран для поддержания работоспособности установки.

В заключение отметим, что в, сознании наших потребителей проблемы, возникающие при эксплуатации мембранных установок водоподготовки, чаще всего ассоциированы с одним эффектом - образованием отложений на поверхности мембран, без идентификации причин, вызвавших это явление.

В мировой же практике введены в употребление два специальных термина, характеризующие различные по своей физической природе механизмы образования отложений :

• за счет выпадения малорастворимых солей (с фазовым переходом при образовании твердой фазы)- « scaling » («отложения»)
• за счет осаждения твердой фазы из рабочего потока (без фазового перехода)- « fouling » («отравление»).

Дифференциация причин, вызывающих снижение эксплуатационных характеристик мембран установок водоподготовки, предоставляет возможность значительно точнее определять как их источник, так и комплекс мер по их профилактике.

Противоточные технологии в ионном обмене

По состоянию на сегодняшний день, пожалуй, не найдется скептиков, которые бы усомнились в справедливости высказывания, что в 99,9% случаев применение технологий противоточной регенерации ионитов в водоподготовке обладает преимуществами перед устаревшими прямоточными (параллельноточными)схемами.

Здесь и значительное сокращение удельных расходов реагентов, и повышение качества обработанной воды, и увеличение единичной производительности установленного оборудования, и снижение потребления воды на собственные нужды со всеми вытекающими из этих фактов экономическими и экологическими следствиями.

Но, при выборе для конкретных условий при менения противоточной технологии водоподготовки для реализации необходимо проводить их сравнение по крайней мере по следующим параметрам эксплуатации :

• технологическая устойчивость;
• гибкость (возможность адаптации к изменяющимся условиям);
• надежность (простота конструктивных и схемных решений).

Кроме того, следует помнить, что применение любых противоточных технологий предъявляет более жесткие требования к качеству предочистки (по допустимому содержанию взвешенных в воде твердых веществ - за исключением UPCORE и ее вариаций, а также технологий с гидравлической блокировкой слоя ионообменной смолы) и, возможно, к качественным характеристикам реагентов, используемых для регенерации ионитов.

Наконец, бывает, что стремление снизить удельные расходы реагентов при эксплуатации противоточной системы водоподготовки заводит потребителей в «тупик»: они забывают, что, например, нормы расхода щелочи определяются не только стехиометрическим соотношением с извлеченными из обработанной воды анионами, но и количеством сорбируемой из этой воды органики. Пренебрежение последним постулатом неизбежно ведет к безвозвратному отравлению анионитов. Противоточные технологии водоподготовки при реализации требуют от персонала четкого представления о допустимых значениях параметров в точках отключения рабочего режима и неукоснительного соблюдения технологического регламента, как в режиме рабочего цикла и при регенерации ионообменной смолы. В этой связи, приоритет должен быть отдан внедрению автоматизированных установок водоподготовки, т. к. они позволяют минимизировать влияние «человеческого фактора» и избежать случайных ошибок персонала, обслуживающего аналогичные установки водоподготовки с ручным управлением.