Сравнение методов обессоливания воды

Авторы различных установок обессоливания воды предлагают многочисленные сравнения их экономической эффективности, естественно, в пользу своих разработок. Ранее, в 1960–1980 гг., считалось, что до 2 г/л выгодно использование ионного обмена, а при большем – выпарки. Разработка и совершенствование всех методов обессоливания воды, особенно стремительное усовершенствование мембранных процессов , постоянно меняет соотношение стоимостей установок и очищенной воды. Кроме того, в настоящее время все большую роль играет экологичность процессов очистки воды , т. е. количество сбрасываемых в окружающую среду солей. Следует отметить, что многие положительные и отрицательные качества этих процессов зависят от солесодержания обрабатываемой воды.

При обессоливании воды ионным обменом пропорционально солесодержанию питающей воды растут объем ионитов и оборудования, а также расход реагентов, т. е. капитальные и эксплуатационные затраты. Даже при оптимально организованной регенерации (противоток) с минимальным избытком реагентов в сточные воды поступают извлеченные соли и использовавшиеся реагенты в количестве 1,1–2,0 от количества солей. Суммарное количество составляет 2,1–3,0. Следует учитывать, что эти соли находятся в небольшом объеме регенератов, соответственно, в высокой концентрации. Регенераты, как правило, имеют кислую реакцию и требуют дополнительной нейтрализации. Прямой сброс таких отходов запрещен. Обычно используется метод разбавления другими стоками. Эксплуатационные расходы практически прямо пропорциональны солесодержанию исходной воды.

В обратном осмосе производительность мембранных элементов, расход энергии и, соответственно, капитальные и эксплуатационные затраты незначительно зависят от солесодержания (см. рис.). При обратном осмосе количество солей в стоках близко к их количеству в питающей обратноосмотическую установку воде. Дополнительным источником солей являются составы для промывки мембран обратного осмоса. Суммарное количество сбрасываемых солей пропорционально солесодержанию исходной воды и, при правильном расчете и эксплуатации обратноосмотической установки, превышает его на 5–15%. К сожалению, известны случаи, когда из-за неверно выбранных условий эксплуатации приходится промывать мембраны обратного осмоса столь часто, что сброс токсичных солей оказывается во много раз больше. Сбросные воды – концентрат обратного осмоса – имеют солесодержание в 2,5–4,0 раза большее, чем исходной воды, т. е. 1–2 г/л, и состав, соответствующий ей. Это дает возможность сброса стоков без больших проблем.

Сравнение зависимости стоимости очистки воды ионным обменом и обратным осмосом от солесодержания воды при одинаковой производительности

Сравнивая стоимость очистки воды обратным осмосом и ионным обменом , можно отметить наличие точки пересечения прямых, соответствующих каждому методу. Положение этой точки у разных авторов сильно различается: от 600–800 мг/л до 100–150 мг/л. Последнее вряд ли может соответствовать реальности. Корректно эта точка может быть определена только для заданного состава воды при сравнении реальных установок с учетом всех расходов. Так, эксплуатационные расходы при обратном осмосе существенно зависят от способа предотвращения выпадения осадков. При применении ингибиторов их количество растет пропорционально содержанию солей жесткости. При умягчении воды ионным обменом необходимо учитывать расходы на эту операцию, которые также растут пропорционально содержанию солей жесткости в воде. Кроме того, необходимо учитывать стоимость исходной воды, расход которой при обратном осмосе примерно в 1,5 раза выше, чем при ионном обмене и выпарке воды, а также стоимость сброса отходов.

Следует отметить, что корректное сравнение методов может быть проведено только для конкретных условий. Так, по данным фирмы Rohm & Haas , при использовании современного ионообменного оборудования во многих случаях метод ионного обмена экономичнее обратного осмоса .

Для глубокого обессоливания воды однозначно эффективнее ионный обмен.

При опреснении морской воды корректно сравнивать энергозатраты на проведение процесса. Отчетливо виден прогресс в совершенствовании дистилляции и обратного осмоса, которые в настоящее время являются основными конкурентами. Ионный обмен в этих условиях не используется.

Расход энергии на опреснение морской воды

Метод опреснения	Расход энергии, МДж/м3
	1955–1970 гг.	1070–1980 гг.	1980–1990 гг.	1990–2000 гг.
Дистилляция	2900–950	950–350	350–130	150–50
Кристаллизация	800–300	300–200	–	–
Электродиализ	–	400–300	300–200	200–100
Обратный осмос	–	300–200	200–100	50–15

Следует отметить преимущества каждого из методов.

Ионный обмен :

• возможность получения сверхчистой воды ;
• отработанность и надежность;
• способность работать при резко меняющихся параметрах питающей воды;
• минимальные капитальные и энергозатраты;
• меньший расход питающей воды;
• минимальный объем вторичных отходов, обеспечивающий возможность их переработки.

Обратный осмос :

• высокое качество воды по взвесям, биологическим и органическим загрязнениям;
• минимальные количество реагентов и суммарный сброс солей в окружающую среду;
• возможность сброса концентрата без обработки в канализацию;
• относительно низкие эксплуатационные затраты;
• отсутствие агрессивных реагентов и необходимости их обработки.

Термический метод:

• минимальные количество реагентов и сброс солей в окружающую среду;
• высокое качество воды по взвесям;
• возможность получения отходов минимального объема, вплоть до сухих солей;
• возможность использования избыточного тепла;
• удаление из воды растворенных газов.

Их недостатками являются:

Ионный обмен:

• высокий расход агрессивных реагентов;
• эксплуатационные расходы, растущие пропорционально солесодержанию воды;
• необходимость обработки регенератов и сложности с их сбросом.

Обратный осмос:

• необходимость тщательной предподготовки;
• желательность непрерывной работы обратноосмотической установки;
• большие капитальные затраты;
• большой расход питающей воды и объем сбросных вод;
• большие энергозатраты.

Термический метод:

• необходимость предподготовки;
• большие энергозатраты;
• большие капзатраты.

В следующей таблице приведено оценочное сравнение методов обессоливания воды по трем уровням: минимальный – Мин, максимальный – Макс и средний – Ср.

Оценочное сравнение методов обессоливания

Параметр	Ионный обмен	Обратный осмос	Электродиализ	Выпарка
Надежность	Макс	Ср	Мин	Макс
Степень обессоливания	Макс	Ср	Мин	Ср
Удаление органики	Мин	Макс	Мин	Ср
Удаление микрофлоры	Мин	Макс	Ср	Макс
Удаление взвесей	Мин	Макс	Мин	Макс
Удаление растворенных газов	Мин	Мин	Мин	Макс
Требования к предподготовке	Мин	Макс	Макс	Ср
Энергозатраты	Мин	Макс	Макс	Макс
Расход реагентов	Макс	Мин	Мин	Мин
Расход питающей воды	Мин	Макс	Макс	Мин
Объем отходов	Мин	Макс	Ср	Мин
Возможность переработки отходов	Макс	Мин	Мин	Макс
Возможность сброса отходов	Мин	Макс	Ср	Мин

По мнению автора, в настоящий момент наилучшие экономические, экологические и технологические показатели имеют комбинированные схемы, когда первая стадия обессоливания воды осуществляется безреагентным методом – обратным осмосом или выпаркой, а глубокая доочистка воды – ионным обменом. Такая схема позволяет сократить по сравнению с «чистым» ионным обменом расход реагентов и объем солевых стоков примерно в 10 раз при максимальном качестве очистки воды. Именно такой вариант наиболее часто употребляется во всех разрабатывающихся и строящихся в России и за рубежом схемах получения высокочистой воды для энергетики, электроники и медицины .

При необходимости получения отходов в твердом виде оптимальна комбинация указанных методов очистки воды с термическим.