ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ ДЛЯ ПРЕДПОДГОТОВКИ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Представлены результаты внедрения интегрированных мембранных систем на основе техно
логии ультрафильтрации и обратного осмоса в
химическом цехе Новочеркасской ГРЭС
Громов С.Л., Ковалев М.П., Сидоров А.Р.
ЗАО «НПК Медиана-Фильтр»,
Лысенко С.Е., Самодуров А.Н.
ОАО «Новочеркасская ГРЭС»
Пантелеев А.А.,
ГУП ГНЦ РФ ТРИНИТИ
При реконструкции цехов химводоочистки (ХВО) на предприятиях энергетики, а также при проектировании новых теплоэлектростанций в последнее время все больше проявляется интерес к внедрению мембранных технологий водоподготовки для получения обессоленной воды [1,2,3] . Этот интерес обусловлен как экономическими, так и эксплутационными преимуществами новых технологий водоподготовки перед традиционными. В настоящее время концепция интегрированных мембранных технологий, в частности для энергетики, может включать в себя следующие мембранные установки или их комбинации:
- установки ультрафильтрации (УУФ),
- установки нанофильтрации (УНФ),
- установки обратного осмоса (УОО),
- установки мембранной дегазации (МДГ),
- установки электродеионизации (ЭДИ).
Основным вопросом, который должен быть решен при использовании интегрированных мембранных технологий в промышленной водоподготовке, является создание системы их комплексной автоматизации, которая обеспечивает длительную и надежную работу всего комплекса водоподготовки при минимальных эксплуатационных затратах. Внедрение интегрированных мембранных технологий позволит создать экологически чистые, безреагентные, ресурсосберегающие системы для получения высокочистой подпиточной воды для предприятий промышленности, тепловой и атомной энергетики, позволит резко сократить объем отходов, направляемых на утилизацию или захоронение, что существенно повышает экологичность и экономичность этих предприятий.
Кроме того, внедрение мембранных технологий позволяет не только значительно сократить использование химических реагентов, потребление воды на собственные нужды и занимаемые площади, но повысить качество обессоленной воды и выйти на новый уровень управления процессом производства. Первым шагом на пути внедрения таких систем, явилось использование установок обратного осмоса (УОО) на предприятиях энергетики для частичного обессоливания воды [4] . Эти установки заменили ранее существовавшие ионообменные фильтры первой ступени и позволили значительно (более чем в 20–40 раз) снизить потребление кислоты и щелочи для целей водоподготовки. Длительный опыт эксплуатации установок обратного осмоса выявил некоторые особенности их работы [5] . Прежде всего, это относится к требованиям, предъявляемым к питательной (осветленной) воде, которая подается на мембранные установки.
Предподготовка воды перед установками обратного осмоса
Многолетняя практика убедительно доказала, что для установок обратного осмоса одним из главных факторов, от которого зависят показатели надежности и уровень затрат при эксплуатации, является качество питательной воды. Вредное воздействие компонентов, содержащихся в воде, поступающей на установки обратного осмоса, проявляется в засорении активной поверхности мембранных элементов, образованию на них отложений, а также к химической деградации селективного барьерного слоя мембраны. Под засорением («fouling» – для его обозначения также используют термин «отравление») понимают формирование на поверхности мембран осадка, состоящего из частиц и соединений, присутствующих в обрабатываемой воде в нерастворимом состоянии (в виде взвесей и коллоидов); под отложениями («scaling») подразумевают твердую фазу, выпадающую на поверхность мембран при фазовом переходе (кристаллизации) из раствора; деградация барьерного слоя – это процесс, выражающийся в разрыве полиамидных цепей под влиянием окислителей или термической деструкции.
В результате перечисленных выше воздействий снижаются производительность установок обратного осмоса, селективность, гидравлический к.п.д., возрастают эксплуатационные расходы. Производителями мембранных элементов были сформулированы основные критерии, которым должна соответствовать вода, поступающая на установку обратного осмоса. Считается, что для грамотно спроектированной такой системы водоподготовки выполнение приведенных ниже требований позволяет обеспечить достаточный срок эксплуатации мембранных элементов (5–6 лет), при приемлемом уровне расходов, обусловленных частотой проведения химических промывок.
Основные технические требования к питательной воде, предъявляемые производителями тонкопленочных композитных мембран на основе полиамида:
- значение показателя коллоидного индекса (SDI ) не более 5 (в зависимости от предполагаемого съема с единицы поверхности мембраны, см. таблицу 1);
- мутность не более 0,1 NTU;
- температура от 4 до 45 0С;
- содержание свободного хлора (и других сильных окислителей) не более 0,1 мг/л;
- содержание органики по общему органическому углероду (ТОС) не более 3 мг/л;
- содержание железа не более 0,1 мг/л;
- содержание марганца не более 0,1 мг/л;
- содержание масел и нефтепродуктов не более 0,1 мг/л;
- значение рН 2–12*.
Иногда в дополнение к изложенным выше требованиям вводят ограничения по остаточному содержанию в питательной воде алюминия, содержанию микроорганизмов. Методы предподготовки воды перед установкой обратного осмоса варьируются в зависимости от источника водоснабжения, среди которых поверхностные источники рассматриваются как наиболее сложные в эксплуатации.
Причиной этого являются:
- нестабильность показателей температуры и качественного состава воды (как периодического характера – например, сезонные колебания, так и спорадического, вызываемые порой сбросом промышленных стоков в водоемы);
- возможность присутствия в исходной сырой воде практически любых видов загрязнений (взвесей, коллоидов, органики любых видов, солей жесткости, железа, сульфатов, нефтепродуктов, микроорганизмов и т.д.).
Поэтому далее остановимся именно на технологиях предподготовки поверхностной воды. Традиционные способы основаны на сочетании методов коагуляции (флокуляции) с осаждением и фильтрованием:
1) исходная вода пропускается через фильтры грубой очистки (сетки), затем проходит через осветлитель (который может функционировать как в режиме известкования с коагуляцией, так и в режиме чистой коагуляции, как с применением органических флокулянтов, так и без них) и, наконец, фильтруется на механических фильтрах;
2) в исходную воду, прошедшую через фильтры грубой очистки и флотаторы, дозируется коагулянт непосредственно на входе в механические фильтры, на фильтрующей загрузке которых протекает контактная коагуляция одновременно с сепарацией образующихся хлопьев;
3) в случае, если в исходной воде содержатся в большом количестве микроорганизмы, то для их подавления могут дополнительно к двум указанным выше способам обработки дозировать в обрабатываемую воду активный хлор, озон, биоциды или использовать ультрафиолетовое облучение для беззараживания.
Предподготовка поверхностной воды традиционными методами позволяет снизить содержание органики на 50–70% от исходного значения, удалить до 50% кремниевой кислоты, обеспечить уменьшение остаточного содержания взвешенных веществ до концентраций на уровне 1 мг/дм3, как правило, добиться соответствия требованиям по предельно допустимой концентрации железа, марганца и даже нефтепродуктов (если их содержание в исходной воде не превышало 2 мг/дм3). При применении известкования ко всем факторам, перечисленным выше, добавляются еще и снижение жесткости и щелочности предподготовленной воды. Для традиционных способов обработки воды наиболее проблемными являются требования к допустимому остаточному значению мутности и индексу плотности осадка (коллоидному индексу – SDI). В самом деле, гранулометрический состав присутствующих в исходной воде взвесей и коллоидов варьируется в диапазоне от сотых долей до сотен мкм. Для сепарации частицы с характерным размером порядка 1 мкм время ее пребывания в камере осаждения должно исчисляться часами, что может считаться допустимым в лабораторных условиях, но никак не для действующего производства. В то же время механические фильтры способны сепарировать из воды частицы с размерами более 1 мкм, но достаточную для практических целей очистки воды эффективность демонстрируют только для частиц с размерами от 10 мкм и выше.
Напомним, что при определении значения SDI используются микрофильтры с размером пор 0,45 мкм, которые, соответственно, эффективно удаляют из воды любые включения с размерами, превышающими указанный. Поэтому задача обеспечения допустимых значений по мутности и SDI исходной воды после традиционной предочистки представляется нетривиальной с технической точки зрения. Первоначально, при реконструкции систем ХВО использовались старые схемы осветления в составе осветлителей (известкование с коагуляцией или без) и механических фильтров, а системы обратного осмоса встраивались в существующую технологическую схему. Основная задача осветлителей – уменьшение содержания в воде мутности, взвешенных веществ, жесткости, кремния, железа и органики. Однако при вводе в эксплуатацию установок обратного осмоса первоначально игнорировалось требование об обеспечении коллоидного индекса на уровне 3–5. Обычное значение SDI в отрытых водозаборах колеблется от 5 до 6,5, в скважинах – от 2 до 5. В результате если не контролировался коллоидный индекс в исходной воде, производительность установки водоподготовки, значительно отличалась от расчетной. Это приводило к необходимости изменения технологических параметров процесса (давление, расходы) и увеличению частоты проведения химических моек мембранных элементов. Для уменьшения коллоидного индекса после осветлителей, были проведены попытки изменения режимов регенерации механических фильтров. Так, на Новочеркасской ГРЭС для предподготовки воды перед обратноосмотической установкой после осветлителя, работавшего в режиме известкования с коагуляцией, использовалась схема с двухступенчатым фильтрованием воды на механических фильтрах с антрацитовой загрузкой. Были решены задачи по оптимизации и взаимному согласованию режимов работы фильтров на каждой из ступеней. Только после этого удалось добиться устойчивого значения SDI обработанной воды в пределах 5. Современной альтернативой традиционным способам предподготовки воды перед обратноосмотической установкой является технология ультрафильтрации (УФ). Средний размер пор мембран (для половолоконных элементов, применяемых для целей водоподготовки) составляет 0,03 мкм, поэтому не удивительно, что применение ультрафильтрации позволяет гарантировать значение SDI не более 3 (нередко на практике – от 1 до 2) и остаточную мутность менее 0,1 NTU.
Значение показателя SDI является важнейшим фактором, определяющим допустимое значение расхода пермеата в единицу времени через 1 м2 мембранной поверхности (удельный съем) для установки обратного осмоса. Обратимся к рекомендациям ведущих производителей обратноосмотических мембранных элементов – компаниям Dow Chemical и Hydranautics для подтверждения данного тезиса. Очевидно, что с уменьшением коллоидного индекса удельный съем пермеата с обратноосмотической мембраны может быть увеличен в 1,5 – 2 раза! А это означает, что обратноосмотическая установка могут быть более компактными и, соответственно, более дешевыми. Как показал более чем 20-летний опыт внедрения технологии ультрафильтрации в промышленности, использование ультрафильтрации перед обратным осмосом по сравнению с обычными технологиями имеет ряд преимуществ:
- качество УФ фильтрата значительно лучше, чем при использовании классических технологий. Значение SDI составляет от 0,9 до 3, мутность не превышает 0,1–0,2 мг/л. Высокая степень удаления коллоидного кремния и органических веществ (до 60–80%) Эффективное удаление железа и марганца высоких кон-центраций (свыше 10 мг/л).
- качество УФ фильтрата очень стабильно и практически не зависит от колебаний качества исходной воды.
- значительно снижается частота химических моек установок обратного осмоса.
- не требуется использование извести.
- снижаются расходы потребляемой воды в 1,5–2 раза;
- уменьшаются энергозатраты в 1,5–2 раза ;
- значительно снижаются трудозатраты по обслуживанию и уходу и при этом себестоимость предподготовки воды снижается более чем в 3 раза.
Кроме того, ультрафильтрации, обладая высокой задерживающей способностью по микроорганизмам, позволяет весьма существенно снизить риски микробиологического засорения обратноосмотических мембран, связанные с формированием на их поверхности биопленок. Обычно коагуляция предшествует ультрафильтрации при применении последней для целей предочистки воды перед обратным осмосом. При этом расходы коагулянтов оказываются в несколько раз ниже, чем при традиционных способах организации этого процесса, а эффективность сепарации – существенно более высокой. Объяснением этому явлению служит показатель задерживающей способности ультрафильтрационных элементов. Приведенная ниже таблица дает представление о себестоимости предподготовки воды при обработке поверхностных вод. Таким образом, преимущества УФ перед стандартными способами предподготовки питательной воды для обратного осмоса не вызывают сомнений.
Опыт внедрения и эксплуатации технологии ультрафильтрации перед установками обратного осмоса
Установка обратного осмоса для частичного обессоливания воды на Новочеркасской ГРЭС, производительностью до 150 м3/час была введена в эксплуатацию в конце 2004 года. Общий вид трех модулей обратного осмоса показан на рис. 10 .
Как указывалось выше, предподготовка воды перед обратноосмотической системой изначально состояла из осветлителя, работавшего в режиме известкования с коагуляцией, с двухступенчатым фильтрованием воды на механических фильтрах с антрацитовой загрузкой. Качество и стабильность осветленной воды часто не соответствовали расчетным, в силу того, что осветлитель уже выработал свой ресурс. Высокое содержание органики, проскок взвешенных веществ, нестабильные значения коллоидного индекса и температуры воды, а также высокое значение рН, приводили к значительному осадкообразованию на поверхности обатноосмотических элементов. Снижение рН подкислением и дозирование ингибитора стабилизировало осадкоотложение, однако удельный съем с поверхности мембраны был снижен с 28 до 18 л/м2/час. Кроме того, за счет периодического выноса осадка с осветлителей, происходило зашламление мембран и приходилось досрочно проводить химические мойки обратноосмотических элементов. Руководство НчГРЭС и ОГК-6 приняли решение о замене устаревших осветлителей. В качестве альтернативы было принято рассмотреть возможность внедрения технологии ультрафильтрации для предварительной подготовки воды перед установками обратного осмоса. На первом этапе в 2005–2006 годах на НчГрЭС были проведены пилотные испытания двух установок ультрафильтрации вакуумного и напорного типа.
На рис 1.а схематически изображен напорный тип ультрафильтрации «изнутри – наружу». Этот способ является наиболее распространенным, его главное достоинство состоит в возможности организации режима активного тангенциального фильтрования. Безнапорная (вакуумная) ультрафильтрация «снаружи – вовнутрь», показанная на рис. 1.б , формально обеспечивает возможность тангенциального фильтрования, но значительно уступает напорной по достижимым скоростям потоков над мембраной. Существенным достоинством вакуумной ультрафильтрации является возможность использования существующих отстойников, т.к. эти мембранные элементы работают в погружном режиме. Обязательными требованиями, предъявленными потребителем к пилотным установкам, было то, что установки должны полностью воспроизводить все технологические процессы и условия эксплуатации, реализуемые в промышленных аналогах. В качестве рабочих элементов должны были быть использованы те же мембранные элементы, которые применяются и в промышленных установках. Никаких экстраполяций по результатам пилотных испытаний для проектирования промышленных систем не допускалось. Значения удельного съема фильтрата с единицы поверхности мембраны, расходов потоков воды в мембранном элементе, степени концентрирования взвесей и прочие показатели для пилотной и промышленной установок должны были быть одинаковыми. Такие же требования предъявлялись и к системам управления – они должны были быть максимально близкими для пилотной и промышленной установок. Испытания проводились на промышленной площадке НчГРЭС, в качестве исходной была использована вода из реки Дон. На рисунке 2 и 3 представлены соответственно вакуумная и напорная пилотные установки. В результате пилотных испытаний были определены технологические параметры, использованные в качестве исходных данных для проектирования промышленной установки, и оптимизированы режимы предварительного коагулирования и химической промывки мембранных модулей.
Проведенные пилотные испытания показали несомненное преимущество технологии ультрафильтрации перед обычной технологией осветления воды. Полученные результаты по мутности, взвешенным веществам, железу и органике значительно превосходят требования заказчика, см.рисунки 4–6. После анализа всех факторов, выбор был сделан в пользу напорного типа системы ультрафильтрации. Упрощенная гидравлическая схема установки представлена на рисунке 7 .
Промышленная установка ультрафильтрации была спроектирована на среднюю/пиковую производительность 255/270 м3/час (часть воды предполагалось использовать для питьевых целей). В основу проектирования были положены результаты пилотных испытаний. Установка была запущена в опытную эксплуатацию в декабре 2006 года. Установка ультрафильтрации состоит из 7 основных блоков – блока дозирования коагулянтов, 3-х комплектных модулей ультрафильтрации, насосной станции обратной промывки, станции дозирования химреагентов, блока химической мойки, станции для измерения коллоидного индекса SDI, а также блока тестирования и ремонта мембранных элементов. Кроме того, в отличие от классической технологии тупиковой фильтрации, каждый модуль установки был укомплектован блоком рециркуляции. Использование фильтрации с рециркуляцией позволило обеспечить более высокий съем с мембран, низкое зашламление мембран и обеспечило устойчивую работу установки в широком диапазоне содержания взвешенных веществ в исходной воде. Кроме того, удалось исключить кислотную промывку (CEB3) из процесса очистки, что значительно сократило экологически небезопасные стоки.
Технические характеристики промышленной установки ультрафильтрации на НчГРЭС:
- Количество ультрафильтрационных модулей в установке – 3 шт.
- Тип ультрафильтрационных мембран DIZZER 5000.
- Количество ультрафильтрационных мембран в установке – 96 шт.
- Производительность по фильтрату установки – не менее 270 м3/час, в том числе каждого модуля – 90 м3/ч.
- Трансмембранное давление при фильтрации 0,17 – 0,3 бар.
- Максимальное трансмембранное давление при обратной промывке – 0,8 бар.
- Расход обратной промывки – 300 м3/чна один блок в течение 30–50 секунд.
- Периодичность промывок – 3–4 раза в час.
- Режим работы – непрерывный с остановкой на регламентные работы.
- Периодичность регламентных работ – не чаще 1 раза в 3 месяца.
- Продолжительность регламентных работ – не более 6 часов.
- Установленная мощность – до 90 кВт
- Удельное энергопотребление установки ультрафильтрации – до 0,2 кВт/(м3/ч).
- Габаритные размеры мембранного модуля: длина 7000 мм , ширина 4000 мм , высота 2500 мм .
- Занимаемая площадь остального оборудования – 100 м2 .
На рисунке 8 представлены мембранные блоки установки ультрафильтрации.
Процесс работы и промывки модулей установки ультрафильтрации полностью автоматизирован. Химическая мойка отдельного модуля проводится в полуавтоматическом режиме. Показатели качества выходной воды после установки ультрафильтрации в течение одного месяца эксплуатации показаны на рисунке 9. Коллоидный индекс (SDI) пермеата стабилизировался на уровне 2. Мутность пермеата была стабильна на уровне 0,2 мг/л и не зависела от мутности исходной воды. Содержание железа на выходе так же было стабильно в пределах 20–30 мкг/л. Показатель рН пермеата колебался в пределах 8,15–8,35, что является оптимальным для обратноосмотических мембран. Осветленная вода, получаемая на установке ультрафильтрации, отличается высоким качеством и стабильностью, что, несомненно, повлияло на условия эксплуатации установки обратного осмоса.
Внедрение технологии ультрафильтрации, позволило увеличить съем фильтрата с обратноосмотических мембран до 29 л/м2/час прежде всего за счет снижения коллоидного индекса до 2 (см. таблицу 1) , сократить частоту химических промывок установок обратного осмоса с одного раза в 3–4 недели до одного раза в 6 месяцев. Кроме того, высвободились значительные производственные площади, значительно сократилось потребление химических реагентов (извести и коагулянта), которые использовались в классических осветлителях.
ВЫВОДЫ
Внедрение современных интегрированных мембранных технологий значительно улучшает качество получаемой воды на предприятиях энергетики. Существенно снижаются эксплутационные расходы, возрастает надежность системы водоподготовки, резко сокращаются кислотные и щелочные стоки. Переход на мембранные технологии очистки воды позволил сократить ежегодное потребление кислоты на 150 тонн, щелочи – на 100 тонн и предотвратить образование 30 тыс. м3 загрязненных сточных вод в условиях Новочеркасской ГРЭС. Выбор мембранных технологий для подготовки котловой питательной воды на Новочеркасской ГРЭС – это первый шаг на пути создания экологически безопасного, экономически эффективного современного предприятия. Следующий шаг – это внедрение установок непрерывного обессоливания на основе мембранных электродеионизационных установок, что позволит полностью отказаться от использования кислот и щелочей в процессе подготовки котловой воды. Уже были проведены предварительные пилотные испытания, которые показали высокую эффективность и надежность таких установок.
В заключение, мы благодарим всех сотрудников Новочеркасской ГРЭС, а особенно Медведеву Л.Г. и Кучеренкову Е.И. за активное участие и искреннюю заинтересованность в проведении пилотных испытаний и внедрении новых мембранных технологий на предприятии .
1. Water Desalination Report, V.43, No.3, 22 January , 2007
2. Glen P .Sundstorm and Dean M. Weyenberg. Use of Membrane Filtration to improve Water Quality at Point Beach Nuclear Power Plant. Ultrapure Water.
December, 2006
3. Steve Siverns, M.Eng, P.Eng. Using Ultrafiltration as Pretreatment before RO. Ultrapure Water. May/June, 2006
4. А . Г . Первов , В . И Бондаренко , И . С . Балаев , Д . А . Кукушкин . Обратный Осмос и ионный обмен: Какая технология побелит в водоподготовке ХХI века. Экология производства. Энергетика. №1(2) 2006.
5. Самодуров А.Н., Лысенко С.Е., Громов С.Л., Пантелеев А.А., Федосеева Е.Б. Использование метода обратного для водоподготовки в энергетике. Теплоэнергетика, №6, 2006.