автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Оптимизация использования процесса нанофильтрации при подготовке питьевой воды

На правах рукописи

Ефремов Роман Владимирович

ОПТИМИЗАЦИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОЦЕССА НАНОФИЛЬТРАЦИИ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

Специальность 05.23.04- "Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-Зноя 2011

Москва-2011 г.

1 и

4859303

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Первов Алексей Германович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Алексеев Леонид Сергеевич

кандидат технических наук Аскерния Афрасияб Абдулла оглы

Ведущая организация: ОАО «Союзводоканалпроект»

Защита состоится ¿¿СяЗ^Т^ОИ года в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.138.10 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, 26, ауд.

Шг.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан « /0» октября 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Орлов В. А.

Общая характеристика работы.

Мембранные методы очистки воды - нанофильтрация и обратный осмос - имеют большие перспективы в области питьевого водоснабжения, поскольку позволяют одновременно и эффективно удалять из воды различные загрязнения: нитраты, аммоний, фториды, бор, стронций, мышьяк и др.

Мембранные методы используются в водоподготовке достаточно давно, но в основном их применение ограничивается промышленным водоснабжением при производстве умягченной и обессоленной технологической воды.

Это связано в первую очередь с тем, что мембранные методы до сих пор являются достаточно дорогостоящими как с точки зрения капитальных, так и эксплуатационных затрат. Кроме того, санитарные органы часто высказывают претензии к составу очищенной мембранами воды: обратноосмотические мембраны эффективно задерживают ионы всех солей, делая таким образом очищенную воду "слишком" обессоленной, не содержащей жизненно важных компонентов (кальция, фтора и т. д.).

Несмотря на эти недостатки, мембраны обладают бесспорным эффектом в задержании различных растворенных загрязнений. Поэтому задачей современных исследований, в том числе проведенных автором, стала разработка более дешевых, эффективных и надежных технологий подготовки питьевой воды с применением мембран. Необходимость совершенствования существующих мембранных технологий с целью упрощения технологических схем, уменьшения эксплуатационных затрат и достижения оптимального состава очищенной воды, составляет актуальность настоящей работы.

На протяжении ряда лет на кафедре Водоснабжения МГСУ и лаборатории улучшения качества воды НИИ ВОДГЕО велись исследования, позволяющие в зависимости от состава исходной воды подобрать эффективную технологию очистки, тип мембран и условия их работы.

Целью настоящей работы явилось решение актуальных задач для совершенствования мембранных технологий:

1. Исследование возможности "управления" составом очищенной воды, получения заданного эффекта очистки, подбор нужных типов мембран, определения условий их работы (величин давления, выхода фильтрата), а также прогнозирование многокомпонентных составов очищенной мембранами воды.

2. Разработка программы прогноза качества воды очищенной с помощью мембран, которая учитывала бы ухудшение ее качества с течением времени вследствие загрязнения мембран осадками (в частности, карбоната кальция). Такой прогноз необходим для определения времени работы установки до "проскока" в фильтрат нежелательных загрязнений — железа, бора, фторидов, аммония и др.

3. Совершенствование технологии мембранной очистки, в частности, предотвращение образования осадков малорастворимых в воде солей карбоната кальция с помощью дозирования в исходную воду ингибиторов. Для чего были проведены испытания дозирующих устройств (патронов-дозаторов) и экспериментальная оценка эффективности новых ингибиторов.

Описанные задачи были поставлены в практике отечественного водоснабжения впервые. Для их решения были специально разработаны и усовершенствованы экспериментальные методики оценки интенсивности осадкообразования на мембранах и методы обработки экспериментальных результатов. Полученные результаты позволили разработать рекомендации и программы дня технологического расчета установок и их эксплуатации.

Методические подходы к решению поставленных задач, полученные данные и разработанные рекомендации, составляют научную новизну представляемой работы.

Научная новизна определяется следующими положениями:

- разработана экспериментальная методика прогноза состава очищенной воды, позволяющая определить концентрации ионов; Са2+,

80Д СГ, НСОз", а также ионов Те2+ и Г;

- разработана программа прогноза изменения состава очищенной воды (концентраций различных ионов) с течением времени вследствие осадкообразования на мембранах;

- в качестве 1фитерия работы мембранной установки и определения максимального периода времени ее работы до остановки для обслуживания предложено выбирать не снижение производительности мембран на 20-30% (как принято в современной практике), а ухудшение показателей очищенной воды ("проскок" ионов ¥ег+ или Б");

- на примере технологических расчетов в соответствии с разработанной автором программой показано как от выбора различных типов мембран зависят технологические параметры установок (время "проскока" загрязнений) и эксплуатационные затраты.

Достоверность полученных результатов подтверждается опытом работы более 200 систем подготовки питьевой воды из подземных водоисточников с применением мембран. Методики проведения экспериментов опубликованы и опробованы для решения различных практических задач, определения составов очищенной воды и оценки эффективности различных мероприятий по предотвращению осадкообразования на мембранах.

На основании полученных результатов составлены программы, используемые для технологического расчета установок и оптимизации подбора мембран и рабочих условий эксплуатации систем. Одним из главных результатов представляемой работы является подбор мембран не только по технологическому принципу, (т.е. для достижения эффекта очистки и предотвращения отложений), но и на основе определения времени работы установки до "проскока" загрязнений, что позволяет значительно продлить время фильтроцикла (времени работы до проведения химических

регенераций) и сократить затраты на реагенты (ингибиторы и моющие растворы) при сохранении требуемого качества воды в течение всего периода работы установки. Такой методический подход позволяет получить очищенную воду заданного качества при одновременной экономии эксплуатационных затрат, это определяет практическую ценность настоящей работы.

Обоснованность предлагаемых технологических решений подтверждается результатами лабораторных и пилотных исследований, а также опытом работы мембранных установок на ряде промышленных объектов.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты данной работы были доложены:

- на VI традиционной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов. Строительство - формирование среды жизнедеятельности. Москва 21-22 мая 2003 г.

- на конференции "Опреснение и охрана окружающей среды", Мальта, 4-8 мая 2003г.

- на всероссийской научной конференции "Мембраны-2004" Москва, 48 октября 2004г.

- на VII Международном форуме "Живая вода России-2006" Москва, 14-17 февраля 2006г.

- на VII Международном конгрессе "Вода: экология и технология" Москва, ЗОмая - 2 июня, 2006г.

- на УШ Международном конгрессе "Вода: экология и технология" Москва, 3-6 июня 2008г.

По теме выполненных исследований опубликовано 15 работ, в том числе 4 статьи в журнале, рекомендованном ВАК.

Реализация результатов исследований.

В результате работы разработаны "Рекомендации по применению нанофильтрациониых мембран ОПМН для получения воды питьевого

качества и расчета эксплуатационных показателей установок", использованные ЗАО "Владипор" г. Владимир при реализации мембранных аппаратов нанофильтрации и обратного осмоса.

На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по прогнозированию состава воды, очищенной с помощью нанофильтрационных мембран ОПМН-К;

- рекомендации по выбору двухступенчатой схемы очистки подземной воды от бора, разработанные на основе выполненных автором экспериментальных исследований, использованные при разработке проекта и внедрения станции подготовки питьевой воды для месторождения Нижнее Хальчую города Нарьян-Мар;

разработанная методика прогнозирования изменения состава очищенной воды с течением времени;

- методика подбора оптимальных условий работы мембранных установок при очистке воды от ионов бора;

- экспериментальная методика оценки эффективности ингибиторов в сухом виде;

- разработанные "Рекомендации по применению нанофильтрационных мембран ОПМН для получения воды питьевого качества и расчета эксплуатационных показателей установок".

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, приложения. 60 иллюстраций и 13 таблиц. Библиография включает 98 источников. Общий объем диссертации составляет 172 страницы.

Содержание работы.

Во введении отмечается, что эффективность решения проблемы загрязнения окружающей среды зависит от разработки и внедрения новых "экологически чистых" технологий водоподготовки, в частности, мембранных.

Традиционные методы очистки питьевой воды - коагуляция с отстаиванием, последующим фильтрованием и обеззараживание хлором предназначены, в основном, для удаления взвешенных и коллоидных веществ и часто оказываются бессильны в отношении истинно растворенных веществ, минеральных солей и продуктов антропогенного воздействия (хлорорганических соединений, ПАВов, аммония, нитратов и т. д.). В некоторых случаях повышение эффективности очистки воды на традиционных сооружениях достигается включением в существующую технологическую схему дополнительных и дорогостоящих способов очистки, таких как озонирование и сорбция на активном угле, незначительно улучшающих качество обработанной воды и практически не меняющих ее микроэлементный и солевой состав.

В первой главе описаны современные тенденции в использовании нанофильтрационных и обратноосмотических мембран в питьевом водоснабжении, в частности представлена область применения нанофильтрационных установок подготовки питьевой воды и описаны основные проблемы, связанные с применением нанофильтрации. Описана эффективность использования мембран при очистке воды от ионов железа, фтора, аммония, бора и брома Рассмотрены возможности очистки воды от органических веществ и процессы осадкообразования на мембранах. Описаны существующие индексы загрязнения (Индекс БШ, Модифицированный индекс загрязнения, Индекс Ланжелье, Индексы контроля биологического загрязнения) и отмечены их недостатки.

Отмечается, что особую важность представляют вопросы прогноза качества воды, получаемого с помощью мембран, и умение подобрать мембраны с заданными свойствами для обеспечения требуемого качества очищенной воды.

мембрана

фильтрат

толщина примембранного слоя

Рис. 1. Схема образования примембранного слоя при разделении трехкомпонентного раствора.

Теоретическое описание зависимостей селективностей обратноосмотических и нанофильтрационных мембран по различным ионам представляет сложную задачу. На рис. 1 показана иллюстрация модели переноса через мембрану ионов Иа+, С1" и БО/", составляющих модельный раствор (смесь ЫаС1 и №2504). Обычно, теоретический подход к прогнозу качества фильтрата у ряда исследователей основан на применении уравнения Нернста-Бланха с учетом влияния заряда иона и концентрационной поляризации:

__п. *£1-!£г.п. +

(1)

где:

J- поток вещества через мембрану, моль/час

Д,со - коэффициент диффузии ионав растворе;

С, - концентрация в растворе, моль/мЗ;

г г валентность;

^ - число Фарадея;

А у/ - разность потенциалов, В.

х - расстояние от поверхности мембран, м.

Как отмечается в обзоре, моделирование многокомпонентного состава фильтрата должно учитывать образование осадка на поверхности мембраны и должно быть дополнено эмпирическими зависимостями, учитывающими

сложность состава природных вод и специфику конструкции мембранных аппаратов.

Автором настоящей работы предпринята попытка построить прогноз состава фильтрата мембранных установок и учесть его изменение в процессе их эксплуатации на основании экспериментально полученных зависимостей.

Во второй главе приводятся полученные автором новые экспериментальные данные, позволяющие прогнозировать качество фильтрата мембранных (нанофидьтрационных и обратноосмотических) установок не только по основным шести компонентам (ионам Иа+, Са2+,

8042', НСОз", С1"). но и по ряду других компонентов (ионам железа, фторид-ионам и др.), представляющим опасность для здоровья людей.

Эксперименты по изучению селективных свойств нанофильтрационных мембран проводились на лабораторной установке, показанной на рис 2.

Исходная вода помещается в бак 1, откуда насосом 2 подается в мембранный нанофильтрационный аппарат 3 (использовался аппарат типа 1812 с мембранами ОПМН). Фильтрат направляется в бак 4, а концентрат возвращается в бак 1. Рабочее давление устанавливается краном 6. В процессе экспериментов производится отбор проб очищенной воды из бака 4 и концентрата из бака 1.

В зависимости от количества воды в баке 4 устанавливается величина выхода фильтрата (соотношение между расходом фильтрата и концентрата), или кратность объемного концентрирования. Чем больше величина выхода фильтрата, тем больше значение концентрации солей в фильтрате.

Эксперименты проводились на воде московского водопровода с добавлением растворов Ре804 и ЫаР, концентрации ионов ¥е2+ и Б' составляли 2 и 5 мг/л. Для моделирования состава подземной воды в водопроводную воду добавляли растворы солей №С1, СаСЬ, \igS04, N82804, ЫаНСОз в концентрациях 5 и 10 мг-экв/л.

сброс е какаяигацюо

б)

Рис. 2. Схема лабораторной мембранной установки а) для работы в режиме циркуляции, б) в поточном режиме:

1 - бак исходной воды, 2 - насос, 3 - нанофильтрационный аппарат, 4 - бак сбора фильтрата, 5 - манометр, 6 - вентиль регулировки давления, 7 - термостат.

На рис. 3 представлены примеры определения зависимостей концентраций ионов Б" в фильтрате от кратности объемного концентрирования исходной воды в аппарате и концентраций этих ионов в исходной воде.

Рис. 3. Пример определения зависимостей концентраций ионов Г" в фильтрате от кратности концентрирования исходной воды в нанофильграционном аппарате в

зависимости от состава воды и концентрации: а) концентрация ионов И" -2мг/л б) концентрация ионов р -5мг/я .

Для оценки влияния осадка карбоната кальция на работу

нанофильтрагогонных и обратноосмотических мембран использовался ниже

описанный подход. Сначала проводились сравнительные ресурсные

испытания элементов (типа 1812) с нанофильтрационными и

обратноосмотическими мембранами ОПМН на воде московского

водопровода. Результаты этих испытаний, проводившихся в течение 1000

часов, представлены на рис. 4.

300 500 900 1200 0 350 500 900 НОС

ареюл Вре««.ч

Рис. 4. Результаты ресурсных испытаний нанофилътрационного аппарата на воде московского водопровода:

а) снижение производительности со временем;

б) увеличение электропроводности фильтрата.

В процессе ресурсных испытаний мембранных элементов на воде московского водопровода через определенные промежутки времени (300, 600 и 900 часов непрерывной работы) определялись скорости образования осадка карбоната кальция в элементе в соответствии с методикой, описанной в гл. 2 диссертации.

В проведенных автором экспериментах определение скоростей осадкообразования и показателей качества очищенной воды для разных составов исходной воды происходило одновременно в течение ресурсных, испытаний через 300, 600 и 900 часов.

На рис. 5, в качестве примера показаны, зависимости концентраций различных ионов от кратности концентрирования, полученные на разных стадиях образования осадка в рулонном элементе типа 1812 (при количествах осадка 3000,4800 и 6000 мг-экв/м2 мембранной поверхности).

Рис. 5. Пример прогнозирования увеличения концентраций ионов Г в фильтрате при разных кратностях концентрирования:

а) в зависимости от массы осадка;

б) с течением времени.

Методика прогноза изменения селективности мембран в процессе их

работы состоит в следующих операциях:

1. Для каждого состава исходной воды определить интенсивность осадкообразования (получить зависимость скорости осадкообразования от кратности концентрирования).

2. Для заданных условий эксплуатации (выбранные кратности концентрирования к соответствующей ей скорости осадкообразования) получить зависимость количества осадка от времени работы установки.

3. На основании полученных зависимостей концентраций различных ионов в фильтрате от кратности концентрирования, построить зависимость концентраций этих ионов от количества накопленного осадка для выбранного значения кратности концентрирования (рис. 5).

В третьей главе проведено изучение эффективности применения новых типов ингибирующих веществ.

При разработке недорогих систем подготовки питьевой воды (производительностью 0,5-1,0 м3/час и менее) становится очевидным, что наличие в ее схеме блока дозирования как по стоимости, так и по сложности установки, не отвечает поставленным целям - разработать системы с минимальным потреблением реагентов.

Для упрощения и удешевления сервиса мембранных установок представляется эффективным и перспективным применение мембранных элементов, фильтров предочистки, дозаторов, ингибитора в виде сменных картриджей.

Автором проведены исследования по разработке систем дозирования твердого ингибитора по испытаниям эффективности его растворения в дозаторах специальных конструкций, а также по сравнительной оценке ингибирующих свойств.

Применение ингибиторов в "сухом" виде имеет огромное преимущество по сравнению с жидкими ингибиторами благодаря отказу от дозирующего оборудования.

В работе представлены результаты испытаний новых разработанных ингибиторов в сухом виде и простых дозирующих устройств для них, убедительно демонстрирующие эффективность и надежность работы. Испытанные порошкообразные ингибиторы обеспечивают снижение скоростей осадкообразования карбоната кальция в 10-20 раз, как и лучший отечественный жидкий ингибитор "Аминат" (производство НПО "Траверс")

В четвертой главе исследовались возможности удаления бора и брома из воды Каспийского моря и из подземной высокоминерализованной воды в районе города Нарьян-Мар.

Повышенные содержания этих компонентов в поверхностных и подземных водах встречаются крайне редко. Однако в морской воде содержание бора составляет 5-10 мг/литр, а брома- 2-5 мг/литр, то есть имеет место превышение в 10-20 раз по сравнению с нормативными показателями. Часто встречаются подземные воды в прибрежных зонах с интрузией морской воды и повышенным содержание бора и брома.

Селективность обратноосмотических мембран по бору возрастает при повышении значения рН обрабатываемой воды. Для увеличения селективности мембран по бору часто используется увеличение рН исходной воды (подщелачивание с добавлением извести или щелочи). Однако такое

подщелачивание может оказаться "опасным" для мембранных установок с точки зрения интенсивного образования осадка СаСОз на мембранах. Поэтому технология обработки морских и подземных вод, содержащих бор, должна учитывать одновременно и мероприятия по предотвращению осадкообразования.

Задачей экспериментальных исследований, проведенных автором, стал подбор оптимальных типов мембран и режимов их работы.

На рис. 6 представлены значения концентраций бора на разных ступенях опреснения.

2-

I1

Г 4 —-—--- __Ь_

1 1,5

Кратность концентрирования

2 4

Кратность концентрирования

а) б)

Рис. 6. Зависимость концентрации бора в фильтрате I (а) и II (б) ступени от кратности объемного концентрирования: 1 - исходная вода; 2 - исходная вода + ЫаОН (рН = 9,1); фильтрат II ступени; 4 - фильтрат II ступени после добавления в исходную воду КаОН (рН = 9,1); 5 - фильтрат II ступени (рН = 10,4).

В пятой главе представлены примеры использования разработанных автором рекомендаций для выбора оптимальных типов мембран и режимов работы установок для разных случаев подготовки питьевой воды из подземных водоисточников. Рассмотрены примеры использования разработанных автором рекомендаций при внедрении мембранных систем для очистки воды с высокой цветностью (г. Пыть-

Ях), с высоким содержанием бора (Нарьян-Мар), с высоким содержанием фтора и железа (г. Балаково) и другие случаи.

На основании проведенных исследований были обобщены и рассчитаны эксплуатационные режимы работы установок в зависимости от состава исходной воды и типа используемых мембран.

Для определения оптимального эксплуатационного режима сначала необходимо идентифицировать состав исходной воды в соответствии с таблицей 1. Индексы определяются, исходя из концентраций кальция и бикарбонат-ионов, значения pH и общего солесодержания по буквенным символам. Оптимальный эксплуатационный режим определяется по таблице 2, составленной на основе значений индексов таблицы 1. Интервалы между промывками рассчитаны, исходя из значений скоростей осадкообразования в мембранных рулонных модулях при значениях кратности объемного концентрирования в аппаратах 1,7 и 2,5 (соответственно при значениях выхода фильтрата 40% и 60%).

Данные расчеты составлены для мембранных установок, работающих с использованием ингибиторов АМИНАТ, доза которого составляет - 1 мг/л, и мембран типа ОПМН (производства ЗАО "Владипор"). В ряде случаев мембраны могут работать и без применения ингибиторов.

Использование данных таблицы 2 позволяет дать наглядное сравнение работы нанофильтрационных (ОПМН) и низконапорных обратноосмотических мембран (типа ESPA) при получении воды питьевого качества из подземных источников различного состава. В зависимости от жесткости, щелочности, pH и солесодержания исходной воды, а также величины выхода фильтрата, пользуясь таблицей 2 и рис. 7 можно определить показатели качества очищенной воды и их изменение с течением времени в процессе работы установки, расход реагентов на дозирование в исходную воду и на химические промывки. В автореферате данные таблицы 2 и рис. 7 приведены в сокращенном виде. Для большинства составов подземных вод использование мембран ОПМН (по сравнению с ESPA) дает

значительную экономию расходов на сервисные реагенты при стабильном получении питьевой воды высокого качества.

Таблица 1. Идентификация состава исходной воды.

pH Общее солесодержапие Мг/л Щелочность, мг-экв/л № строки

4-6 | 6-8

Кальций, мг-экв/л

4-6 6-8 8-10 6-8 8-10

7,2-7,7 500-800 AI Б1 В1 Г1 Д1 1

800-1200 А2 Б2 В2 Г2 Д2 2

1200-1800 A3 БЗ ВЗ ГЗ ДЗ 3

7,8-8,4 500-800 A4 Б4 В4 Г4 Д4 4

800-1200 А5 Б5 В5 Г5 Д5 5

1200-1800 А6 Б6 В6 Г6 Д6 6

№ столбца А Б В Г д

мембраны ESPA мембраны ОПМН

Время, ч Время, ч

Рис, 7. Прогноз увеличения концентрации различных ионов в фильтрате в процессе работы установки (с использованием мембран ОПМН "Владипор" и ESPA "Hydranautics")

Для примера ниже приведено определение оптимального типа мембран и прогноза их показателей для случая очистки подземной воды с концентрацией железа - 2,5 мг/л, аммония - 0,7 мг/л, жесткости - 9,5 мг-экв/л, щелочности - 5,9 мг-экв/л, и с общим солесодержанием -1500 мг/л.

1. Выбираем по таблице 1 индекс состава воды (В - 3).

2. По таблице 2 определяем время работы установки до промывки для мембран ESPA и ОПМН и показатели качества воды в начале процесса (концентрации ионов железа и аммония). По рис. 7 определяем прогноз увеличения в фильтрате ионов NH/ и Fe2+ с течением времени (прогноз

ведем для величины выхода фильтрата 40%). Пример прогноза показан на рис. 8. Таблица 2.

Индекс Рекомендуемый Селективность по ионам, %

состав интервал между (в начале процесса), К=1,7/К=2,5

воды промывками

К= 1,7 К=2,5 Fe2+

(а=0,4) (<х=0,6) Са2+ F" NHt+

Мембраны ESPA

А1 600 400 96/94 96/94 92/89 92/89

А2 1000 800 95/93 95/93 90/88 90/88

АЗ 1500 1200 93/92 93/92 88/85 88/85

Б1 500 400 96/94 96/94 92/89 92/89

Б2 800 500 95/93 95/93 90/88 90/88

БЗ 1200 1500 93/92 93/92 88/85 88/85

В1 400 — 96/94 96/94 92/89 92/89

В2 900 400 95/93 95/93 90/88 90/88

ВЗ 1200 800 93/92 93/92 88/85 88/85

Мембраны ОПМН

А1 1000* 750 92/86 92/86 80/72 80/72

А2 1500* 1000 91/85 91/85 78/71 78/71

АЗ 2000* 1200* 89/84 89/84 76/70 76/70

Б1 500* 600 92,5/87 92,5/87 80/72 80/72

Б2 800* 800 92/86 92/86 78/71 78/71

БЗ 1200* 1200 90/85 90/85 76/70 76/70

В1 600 400 93/88 93/88 80/72 80/72

В2 800* 900 92,5/87 92,5/87 78/71 78/71

ВЗ 1100* 1200 91/85 91/85 76/70 76/70

*- Отмечены случаи, когда скорость осадкообразования имеет низкое значение и дозирование ингибитора не требуется, (во всех остальных случаях используется дозирование ингибитора АМИНАТ-К (доза 10 мл/м3))

При определении экономического эффекта от применения нанофильтрационных мембран автором использовались результаты расчета эксплуатационных затрат и выбора их оптимального значения.

Пример определения эксплуатационных затрат для системы обработки подземных вод (одновременного снижения жесткости, содержания железа и фторидов) производительностью 25 м3/час, смонтированной в блок-боксе, представлен в таблице 3.

Эксплуатационные затраты установки нанофильтрации были выбраны по данным таблиц 1,2 и рис. 7 для случая выхода фильтрата 60-70%.

Время, ч бремя, ч

Рис. 8. Зависимость концентраций ионов аммония и железа в фильтрате мембранных установок от времени работы, а - с обратноосмотическими мембранами; б - с нанофильтрационными мембранами; 1 - допустимое содержание Ре2+; 2 - допустимое содержание ЫН4+; 3 - время работы до промывки.

Расчеты с использованием разработанной методики показывают как выбор оптимальных типов мембран позволяет снизить эксплуатационные затраты на подготовку питьевой воды.

Таблица 3. Расчеты эксплуатационных затрат установки 25м3/час. Предприятия "Озон" г. Балаково. _

Выход фильтрата 33% 50% 75%

Тип мембран 00 (ЕБРА) НФ (ОПМН) 00 (ЕвРА) НФ (ОПМН) ОО (ЕБРА) НФ (ОПМН)

Исх. объем воды/объем фильтрата 3/1 3/1 2/1 2/1 1.32/1 1.32/1

Электроэнергия, КВт/год Руб/год 90000 180000 90000 180000 66000 132000 66000 132000 66000 132000 66000 132000

Реагенты для промывки, Кг/год Руб/год 400 80000 200 40000 600 120000 300 60000 1000 200000 500 100000

Ингибитор (в сухом виде), Кг/год 360 144000 — 240 96000 — 156 62400 —

Годовые эксплуатационные затраты, руб/год 404000 220000 348000 192000 394400 232000

Капитальные затраты, руб. 1300000 1360000 1300000 1360000 1300000 1360000

Общие выводы.

1. В современных условиях при проектировании систем питьевого водоснабжения для очистки подземных вод от жесткости, железа, фторидов, нитратов, аммония и т. д., целесообразно использовать методы нанофильтрации и обратного осмоса. При этом эксплуатационные затраты на очистку воды оказываются значительно (в 2-3 раза) ниже, чем при использовании других традиционных методов (коагуляция, сорбция, обеззараживание), благодаря отсутствию реагентов и расходных материалов.

2. Результаты проведенных исследований дают возможность определить значения концентраций ионов Ре2+, ЫНД Р', Саг+ в очищенной воде в зависимости от химического состава исходной воды и условий работы мембран (величин рабочего давления и выхода фильтрата).

3. Установлено, что на скорость роста осадка на мембранах влияют: их тип, состав воды, режим работы аппаратов (давление выхода фильтрата). При использовании панофильтрационных мембран процессы осадкообразования идут в 2-3 раза медленнее, чем при использовании обратноосмотических мембран, что позволяет сократить затраты на предварительную очистку и мероприятия по предотвращению осадкообразования более чем на 50-70%.

4. Экспериментально показано, что при образовании на мембранах осадка карбоната кальция падает производительность мембран на 30-70% и одновременно ухудшается качество фильтрата, при этом в 2-3 раза увеличивается концентрация солей и других удаляемых ионов. В работе экспериментально получены данные, позволяющие определить изменения концентраций различных ионов в фильтрате и предотвратить превышения норм СанПиН 2.1.41074-01.

5. Как показали экспериментальные исследования, аппараты с нанофильтрационными мембранами (типа ОПМН-К) подвержены

осадкообразованию в меньшей степени, чем обратноосмотические мембраны, "проскок" по ряду загрязнений при использовании мембран ОПМН наступает позднее, чем у мембран обратного осмоса (что соответствует увеличению срока работы установки до промывок в 2-3 раза). Благодаря этому удается сократить годовое потребление моющих реагентов для обслуживания нанофильтрационных установок на 5090% по сравнению с обратноосмотическими установками.

6. Результаты проведенных исследований по очистке воды от бора позволили предложить эффективную технологию очистки боросодержащих вод. Применение безреагентной технологии обратного осмоса по двухступенчатой схеме для удаления бора из воды повышает экономический эффект по сравнению с технологией ионного обмена на уровне 180520 руб/год для выбранного объекта (станции очистки подземной воды производительностью 100 м3/сут).

7. Использование разработанной автором методики выбора оптимальных типов мембран и условий их работы (исходя из условий минимизации осадкообразования на мембранах) позволяет получить дополнительный экономический эффект на уровне 300000 руб/год (для установки производительностью 500 м3/сут) благодаря снижению эксплуатационных затрат технологии обратного осмоса (за счет применения низконапорных мембран и снижения затрат на предотвращение осадкообразования).

8. Па основании проведенных работ предложены типы ингибиторов в сухом виде и технология их дозирования с помощью специальных патронов - дозаторов. Установлено, что применение ингибиторов в "сухом" виде имеет преимущество по сравнению с традиционными "жидкими" ингибиторами (в виде 20-30% раствора) благодаря отказу от дорогостоящего оборудования и сокращению расходов на закупку, транспортировку и хранение реагентов. Для установки производительностью 1000 л/час (до 24 м3/сут) затраты на

оборудование сокращаются на 15000-25000 рублей, а затраты на применение ингибитора - на 12000-16000 рублей. 9. Результаты работы внедрены на ряде объектов питьевого водоснабжения, использующих нанофильтрационные мембраны типа ОПМН (производства ЗАО "Владипор") для обработки подземных вод с высоким содержанием железа, жесткости, фторидов, аммония, а также при подготовке питьевой воды для вахтового поселка Нижнее Хальчую из подземной минерализованной воды с высоким содержанием бора.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ефремов Р. В. Применение нанофильтрацгонных технологий для очистки поверхностных и подземных вод // VI традиционная (Первая международная) научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов. Строительство - формирование среды жизнедеятельности. Материалы конференции. Книга 1. Москва 21-22 мая 2003 г. стр. 123-127.

2.* Первов А. Г., Макаров Р. И., Андрианов А. П., Ефремов Р. В. Мембраны: новые перспективы освоения рынка питьевой воды // Водоснабжение и санитарная техника. 2002г. №10.

3. Pervov A. G., Efremov R. V., Andrianov А. P. A new solution for Caspian Sea desalination: low pressure membranes. // Desalination 157,2003.

4. Первов А. Г., Ефремов P. В., Андрианов А. П. Мембранные технологии в системах централизованного водоснабжения. // Очистка и кондиционирование природных вод. Сборник научных трудов ВОДГЕО. Вып. 5. Москва 2004г. Стр. 33-41.

5. Первов А. Г., Мотовилова Н. Б., Ефремов Р. В., Андрианов А. П. Разработка систем очистки цветных вод северных районов на основе технологий нанофильтрации и ультрафильтрации. Н Очистка и

кондиционирование природных вод. Сборник научных трудов ВОДГЕО. Вып. 5. Москва 2004г. Стр. 99-107.

6. Первое А. Г., Ефремов Р. В., Макаров Р. И., Андрианов А. П. Оптимизация использования процесса нанофильтрации при подготовке воды питьевого качества. // Критические технологии. Мембраны. 2004г. №3 (23).

7. Первов А. Г., Ефремов Р. В., Макаров Р. И. Разработка компьютерной программы для оптимизации работы установок нанофильтрации при получении качественной питьевой воды. // Всеросийская научная конференция "МЕМБРАНЫ-2004", 4-8 октября 2004г. Москва. Тезисы докладов.

8. Первов А. Г., Ефремов Р. В., Козлова Ю. В., Андрианов А. П. Новые тенденции в разработке современных нанофильтрационных систем для подготовки питьевой воды высокого качества: обзор. // Критические технологии. Мембраны. 2005г. №1 (25).

9. Первов А. Г., Ефремов Р. В., Козлова Ю. В., Андрианов А. П. Область применения и опыт внедрения мембранной технологии в локальных системах. // VII Международный форум "Живая вода России-2006", Научно практическая конференция "Вода и напитки", Москва, ВВЦ павильон №20, 14-17 февраля 2006г.

10. Первов А. Г., Козлова Ю. В., Ефремов Р. В., Андрианов А. П. Опыт внедрения мембранной технологии водоподготовки. // VII Международный конгресс "Вода: экология и технология" - "ЭКВАТЭК-2006", Москва, 30 мая- 2 июня, 2006. Тезисы докладов.

11. Первов А. Г., Ефремов Р. В., Рудакова Г. Я. Прогноз показателей работы нанофильтрационных мембран и выбор оптимальных доз реагентов при эксплуатации мембранных установок для получения питьевой воды. // VIII Международный конгресс "Вода: экология и технология" - "ЭКВАТЭК-2008", Москва, 3-6 июня, 2008. Тезисы докладов.

12.* Первов А. Г., Андрианов А. П., Юрчевский Е. Б., Спицов Д. В., Козлова Ю. В., Ефремов Р. В., Рудакова Л. В. Водоочистные установки в

контейнерном исполнении для водоснабжения вахтовых поселков. // Водоснабжение и санитарная техника 2009. №7 с. 40.

13.* Первое А. Г., Рудакова Г. Я., Ефремов Р. В. Разработка программ для технологического расчета систем обратного осмоса и нанофильтрации с использованием реагентов "Аминат". // Водоснабжение и санитарная техника 2009. №7 с. 21.

14.* Ефремов Р. В., Первов А. Г. Применение нанофильтрационных мембран ОПМН-К для получения питьевой воды и расчет эксплуатационных показателей установок. // Водоснабжение и санитарная техника 2010. №7 с. 24-31.

15. Ефремов Р. В., Первов А. Г. Технологии применения питьевой воды высокого качества с помощью нанофильтрации: условия эксплуатации установок; выбор оптимальных параметров работы мембран. // VI Международный Симпозиум "Экология человека и медико-биологическая безопасность населения. 2010 г. стр. 117.

* - публикации в изданиях, рекомендованных ВАК.

КОПИ-ЦЕНТР св. 7:07:10429 Тираж 100 экз. г. Москва, ул. Енисейская, д.36 тел.: 8-499-185-7954, 8-906-787-7086

4.1. Введение: цели и задачи экспериментов.

4.2. Описание методики экспериментов.

4.3. Результаты экспериментов.

414. Выводы по главе 4.

5.1 Общие положения.

5.2 Основные типы мембранных установок.

5.3 Оптимизация работы установок при обработке воды из городского водопровода и подземных вод для питьевого водоснабжения.

5.3.1 Общие положения.

5.3.2 Оптимизация параметров работы нанофилырационных установок при обработке подземных вод (снижение содержания ионов железа, жесткости, фторидов).

5.3.3 Выбор оптимального типа мембран для очистки воды и определение величины экономического эффекта.

5.4 Оптимизация работы установок при очистке подземных вод, для снижения концентраций бора и брома. Определение экономического эффекта от применения мембран.

5.5 Снижение аммиака и аммония.

5.6 Оптимизация работы установок при обработке вод северных районов с высокой цветностью.

5.6.1 Эффективность очистки воды от органических соединений с помощью мембран.

5.7 Выводы по главе 5.

В мировой и отечественной практике накоплен опыт разработки и применения различных технологий улучшения качества воды, подаваемой в водопроводную сеть [1,2]. Однако, в настоящее время специалистами все большее предпочтение отдается мембранным методам ввиду их высокой эффективности, низкой стоимости, компактности, простоте обслуживания, малым эксплуатационным затратам [3,4].

Традиционные методы очистки питьевой воды - коагуляция с отстаиванием, последующим фильтрованием, и обеззараживание хлором предназначены, в основном, для удаления взвешенных и коллоидных веществ и часто оказываются бессильны в отношении продуктов антропогенного воздействия (хлорорганических соединений, ПАВов, аммония, нитратов и т. д.). В некоторых случаях повышение эффективности очистки воды на традиционных сооружениях достигается включением в существующую технологическую схему дополнительных способов очистки, таких как озонирование и сорбция на активном угле, незначительно улучшающих качество обработанной воды и практически не меняющих ее микроэлементный и солевой состав. Такие технологические схемы удорожают и усложняют эксплуатацию сооружений и в большинстве случаев не позволяют достичь требуемого качества обработанной воды, требования к которой непрерывно ужесточаются санитарными органами.

Следует подчеркнуть, что современную экологическую проблему создает загрязнение природных вод огромным количеством истинно растворенных токсичных загрязнений антропогенного характера, таких как летучие галогеноводороды, высокомолекулярные органические вещества, гербициды, пестициды, нитраты, ионы тяжелых металлов и радионуклиды. Имеют место случаи, когда городские традиционные очистные сооружения не могут обеспечивать достаточную очистку от таких загрязнений.

Вблизи крупных промышленных предприятий возможно загрязнение водоносных горизонтов нитратами, органическими веществами

1 1 антропогенного происхождения, солями тяжелых металлов. Когда вода, подаваемая в эти индивидуальные дома,, не соответствует требованиям СаНПиН «Вода питьевая», требуется ее очистка. Из существующих специальных методов ее очистки наиболее известны: сорбция на активном угле, аэрация, ионный обмен и мембранные методы.

Во многих населенных пунктах используется вода из артезианских скважин, которая характеризуется, как правило, повышенным содержанием ионов жесткости и растворенного железа. Часто в артезианских водах повышено содержание фтора и сероводорода.

Ухудшение качества городской водопроводной воды подсказывает дальнейшие направления по совершенствованию мембранной технологии. За последние годы специалистами часто отмечается увеличение бактериологических и санитарно-химических показателей воды из централизованного водопровода (например, содержание ряда галогенсодержащих органических соединений);

В северных районах России (Ханты-Мансийском АО, р. Соха, Архангельская обл.), где величины- цветности подземной и поверхностной воды доходят до значений 200 градусов, предпринимаются попытки разработать и внедрить процессы озонирования и сорбции (в комбинации с традиционной коагуляцией).

Нанофильтрационные (а также обратноосмотические) мембраны, имеющие размер пор, соизмеримый с размерами молекул воды, эффективно задерживают содержащиеся в воде растворенные органические и неорганические вещества: ионы жесткости, железа, стронция, фторидов, тяжелых металлов, хлорорганических веществ [3-6].

Опреснение и умягчение воды в мембранных установках основано на принципе обратного осмоса (нанофильтрации) — отделения пресной воды от минерализованной через полупроницаемую мембрану под давлением выше осмотического (баромембранный процесс). При таком давлении через поры синтетических композитных мембран проходят молекулы чистой воды и задерживаются гидратированные солеобразующие ионы: НС03", 8042", С1\ Са , Гу^ , Иа , К , Ее , Си , Б" и ряд других микроэлементов, имеющих значительно больший размер [4-9].

Получаемая опресненная вода не только освобождается от ионов растворенных солей, но и является стерильной, т.к. мембраны задерживают бактерии и вирусы. Современные мембраны обратного осмоса имеют различные свойства, определяемые материалом мембран и размером пор. Разновидность мембран обратного осмоса— нанофильтрационные мембраны, имеют больший размер пор, позволяющий частично (на 50-70%) пропускать одновалентные ионы натрия; хлориды, бикарбонаты. Благодаря этому солевой состав фильтрата может меняться: Границы между обратным осмосом и нанофильтрацией нет, по сути, нанофильтрация — тот же процесс обратноосмотического переноса, различия только в селективности мембран по ионам солей.

Мембранная технология, основанная на принципе обратного осмоса (нанофильтрации), обладает универсальностью, позволяя одновременно, в одну ступень удалять из воды большинство растворенных в ней загрязнений. Применение мембран позволяет гарантировать высокое качество очищенной воды. Кроме того, мембранные установки отличаются компактностью, простотой конструкции и эксплуатации.

Современные нанофильтрационные мембраны обладают широкими возможностями, в зависимости от заданных характеристик мембран получать воду заданного качества: (снижение жесткости, сульфатов,, органических веществ и т.д.) и предлагают эффективное решение проблем снижения цветности без применения реагентов.

Современные требования к качеству очищенной воды подразумевают необходимое присутствие- в питьевой воде ионов солей: кальция, магния, хлоридов, фторидов и т.д. Традиционно считается, что обратноосмотические установки производят "дистиллят", т. е. опресненную воду с очень низким солесодержанием. Это объясняется тем, что обратноосмотические мембраны могут "задерживать" до 99% содержащихся в воде ионов солей.

Различные ионы по-разному задерживаются нанофильтрационными мембранами. Например, ионы кальция и магния задерживаются на 70-90%, ионы натрия и хлориды на 50-70%, бикарбонаты на 40-60%. Это затрудняет прогноз качества очищенной воды. Правильный выбор типа мембран и параметров работы мембранных систем (рабочее давление, величина выхода фильтрата) позволяет ''управлять" составом фильтрата нанофильтрациоиных установок в зависимости от требований к качеству очищенной воды. Для прогнозирования качества воды, очищенной с помощью нанофильтрациоиных мембран, разрабатываются специальные программы, которые позволяют для разных типов мембран определить, концентрации различных ионов, а также значения цветности и перманганатной окисляемости в фильтрате и концентрате установок в зависимости от состава исходной воды, величины рабочего- давления, выхода фильтрата. Использование результатов проведенных автором исследований позволяют вести прогноз качества очищенной» воды, и- являются целью настоящей работы.

Наблюдающийся в последние годы прогресс в области совершенствования обратноосмотических и нанофильтрациоиных мембран, особенно композитных низконапорных, позволяет сделать вывод, что по показателям капитальных и эксплуатационных затрат мембранная технология в области водоподготовки становится все более конкурентоспособной для использования в коммунальном водоснабжении, не говоря уже о специальных отраслях,. где требуется особо высокое качество воды. Это происходит благодаря тому, что растут удельные производительности мембран при одновременном снижении величин рабочего давления (7-16 кгс/см2), что влечет за собой снижение стоимости расходуемой электроэнергии, напорных корпусов, насосного оборудования и гидравлических систем распределения и сбора воды у мембранных установок.

Несмотря на очевидные перспективы и преимущества мембранных систем, анализ экономических затрат для существующих схем обратноосмотических и нанофильтрационных установок показывает, что экономическая эффективность мембранных систем напрямую зависит от затрат на предочистку.

Трудности внедрения обратного осмоса и нанофильтрации в практику водоснабжения связаны с проблемой осадкообразования на мембранах и определяются несовершенством существующего процесса мембранной очистки.

Известно, что природные воды, как поверхностные, так и подземные, содержат многие загрязнения: минеральную взвесь и вещества в истинно растворенной и коллоидной форме, потенциально "опасные" для мембранных установок, осаждающиеся на поверхности мембран и снижающие их эксплуатационные показатели. Это укорачивает срок работы мембранных установок. Накопившиеся в процессе работы осадки задержанных из воды загрязнений обычно удаляются с помощью химических промывок (т.е. с применением реагентов).

Для определения эксплуатационных характеристик мембранных систем с использованием аппаратов обратного осмоса и нанофильтрации (определение типа моющих растворов, времени непрерывной работы и др.) используются специально разработанные для этого компьютерные программы. Благодаря применению новых типов мембран и мембранным аппаратам продолжительность работы может быть максимально увеличена, что приводит к снижению затрат на обслуживание установки.

В частности, для предотвращения осадкообразования малорастворимых в воде солей (карбоната кальция) используется дозирование в исходную воду специальных органических веществ — ингибиторов осадкообразования.

В настоящее время в нашей стране создается благоприятная обстановка для использования мембранных технологий для решения ряда проблем, связанных с обеспечением населения чистой водой:

- при организации питьевого водоснабжения в удаленных районах, особенно северных, где вода характеризуется повышенными значениями цветности и окисляемости. Как известно, традиционные методы, состоящие в обработке коагулянтами, часто могут казаться малоэффективными при низких температурах. Применение озонирования и сорбции ведет к увеличению эксплуатационных затрат. Как показано в настоящей работе, наибольшую эффективность в очистке подземных вод Севера продемонстрировали системы нанофильтрации- при снабжении питьевой водой вахтовых поселков нефтегазовых месторождений Сибири и Крайнего Севера, развертывании компактных систем водоснабжения на объектах, использующих артезианские воды, не отвечающие требованиям СанПин (в пищеблоках предприятий, больниц, школ, детских садов и так далее);

- для ряда городов созрела необходимость по кардинальному улучшению качества питьевой воды на городских очистных сооружениях. Для этого целесообразно обратиться к мембранным процессам нанофильтрации, позволяющим удалить из воды такие загрязнения, как стронций, фториды, пестициды, галогеноводороды и др;

- при обустройстве мест, где нет централизованного водопровода (вахтовые поселки, объекты сельхозводоснабжения), часто используются мембранные системы, обеспечивающие снабжение питьевой водой из скважин или рек;

- в-районах с неблагоприятной экологической ситуацией практикуется устройство пунктов продажи питьевой воды, использующих "локальные" установки улучшения качества водопроводной воды, с использованием систем нанофильтрации;

- устройство систем теплоснабжения предприятий и микрорайонов в черте города требует системы водоподготовки для подпитки теплосетей. При современных условиях запрета сброса солевых стоков умягчителей в городскую канализацию, огромные перспективы для этой цели имеют установки обратного осмоса и нанофильтрации;

- при сезонных графиках работы ряда предприятий (котельных) часто практикуется "лизинг" мобильных станций водоподготовки, основанный на применении мембранных систем;

- переход на "автономный" режим работы - отказ предприятий и жилых комплексов от централизованных услуг: воды, теплоснабжения, горячей воды, создание в современных зданиях собственных систем водоподготовки, бойлеров, котельных — основано на применении эффективных систем нанофильтрации.

Критерии в пользу выбора мембранных систем могут быть как экономические (их низкая стоимость, высокая стоимость подвоза реагентов для удаленных районов, затраты на ремонт, обслуживание, высокая стоимость потребления воды), так и экологические (запреты на сброс стоков в канализацию или поверхностные источники).

Важным "экономическим" фактором в продвижении* мембранных технологий является сама исходная водопроводная вода. Именно стоимость муниципальной воды (воды из городского водопровода) является важной составляющей себестоимости промышленной продукции. Когда потребители стали вынуждены платить за исходную водопроводную воду, а также за сбросы сточной воды в водоемы, руководители различных производств стали всерьез задумываться над проблемой экономии воды. Как известно, требования к сбрасываемой в водоемы воде все ужесточаются, и привычная раньше практика "разбавления" сточных вод становится уже экономически нереальной вследствие высокой стоимости воды.

Поэтому в последнее время именно плата за воду стала "двигателем" в продвижении новых технологий, наиболее убедительным стимулом, для экономии химикатов, уменьшения количества стоков, и других составляющих эксплуатационных затрат.

Накопленный за последние 10-15 лет, как за рубежом, так и в нашей стране опыт в создании технологий производства мембран и технологий опреснения и очистки вод разной минерализации и разного солевого состава свидетельствует о том, что диапазон применения этих установок может быть значительно расширен, а технико-экономические показатели их значительно улучшены.

Уже сейчас можно с уверенностью утверждать, что при выборе вариантов схемы очистки сильно загрязненными токсичными примесями поверхностных и жестких подземных вод с высоким содержанием железа для л станций малой и средней производительности (50-1000 м /сут), предпочтение стоит отдать, мембранным установкам с обратноосмотическими и нанофильтрационными мембранами. В этой области последние вполне конкурентоспособны традиционным схемам, использующим процессы коагуляции, сорбции; окисления, ионного^ обмена, благодаря своей компактности и простоте при одновременной гарантии высокого качества обработанной воды, в том числе и по санитарно-бактериологическим показателям.

Применение- мембранных технологий позволяет эффективно и в, кратчайшие сроки создавать мобильные станции локальной очистки воды и решать задачи, ранее считавшиеся невозможными для традиционных технологий.

Сервисное обслуживание мембранных установок сводится к регулярной замене (2-3 раза в год) картриджей предочистки и регенерации мембранных фильтров специальной сервисной бригадой. Регенерация мембранных фильтрующих элементов производится централизованно в лабораторных условиях.

В комплект очистных станций входят: резервуары исходной и очищенной (питьевой) воды; насосные станции второго подъема; установки ультрафиолетового обеззараживания; системы водоподготовки с применением методов ультрафильтрации, пано фильтрации, обратного осмоса; генераторы; частотные преобразователи для плавного пуска насосов; системы электрообогрева; системы противопожарной сигнализации.

Установки производительностью до 100 м3/сут поставляются готовыми комплектами, включающими все компоненты технологических схем. Оборудование может размещаться в существующих помещениях или специальных блок-боксах. Наиболее удобны готовые установки, смонтированные в стандартных железнодорожных или морских контейнерах, что облегчает транспортировку и сокращает транспортные расходы.

Поставка крупных систем (производительностью более 100 м3/сут) осуществляется в виде готовых блоков (модулей), которые подключаются и собираются в технологическую схему. Модули представляют собой фильтры предочистки и доочистки, баки, насосные станции, мембранные установки и т. д. Отдельные блоки размещаются в специально подготовленном помещении (например, блок-боксе), где собираются в технологическую схему.

При выборе технологий очистки важно правильно подобрать тип мембран, что влияет на величину эксплуатационных затрат (расход электроэнергии, затраты на профилактические промывки и др.). От характеристик мембран (селективность, материал) зависит не только качество очищенной ' воды, но и величина рабочего давления, продолжительность непрерывной работы до промывки, интенсивность осадкообразования и другие факторы, определяющие затраты на очистку. Выбор оптимальных типов мембран и технологических параметров работы установок осуществляется по специально разработанным компьютерным программам. Разработанные на кафедре Водоснабжения МГСУ новые программы технологического расчета мембранных установок используют данные, полученные автором в результате проведенных им исследований.

На протяжении ряда лет на кафедре Водоснабжения МГСУ велись исследования, позволяющие в зависимости от состава исходной воды подобрать эффективную технологию очистки, тип мембран и условия их работы.

Разработанные на кафедре Водоснабжения МГСУ технологии очистки подземных вод различного состава используются при строительстве систем питьевого водоснабжения различных объектов.

Поэтому целями настоящей работы стали решения ряда актуальных для совершенствования мембранных технологий задач:

- прежде всего, это исследование возможности управления составом очищенной воды, получение заданного эффекта очистки, подбор нужных типов мембран, определение условий их работы (величин давления, выхода фильтрата), а также прогнозирование многокомпонентных составов очищенной мембранами воды;

- разработка программы прогноза качества воды, которая учитывала бы ухудшение ее качествах течением времени вследствие загрязнения-мембран осадками (в частности, карбоната кальция). Такой прогноз необходим для определения времени работы установки до "проскока" в фильтрат нежелательных загрязнений - железа, бора, фторидов,, аммония и др;

- совершенствование, технологии очистки, с целью- предотвращения образования осадков малорастворимых в воде солей карбоната кальция с помощью дозирования в исходную воду ингибиторов.

В задачи работы также вошли: разработка, технологии применения ингибитора в порошкообразном- (сухом) виде; разработка и испытание дозирующих устройств; экспериментальная оценка эффективности ингибиторов; дополнительные решения по повышению надежности работы дозирующих устройств и т.д.

Для надежной работы установок и минимизации эксплуатационных затрат автором были проведены исследования, результаты которых позволили предложить решение задачи оптимального подбора мембран и условий их работы (на примерах очистки вод от бора, фторидов, железа, органических загрязнений).

Описанные задачи были поставлены в практике отечественного водоснабжения впервые. Для их решения были специально разработаны и усовершенствованы экспериментальные методики оценки интенсивности осадкообразования на мембранах и методы обработки экспериментальных результатов. Полученные результаты позволили разработать программы для технологического расчета установок и их эксплуатации.

Методические подходы к решению поставленных задач составляют научную новизну представляемой работы. Как будет показано ниже, используемые рядом исследователей экспериментальные методики не позволяют получить результаты по величинам интенсивности осадкообразования, снижения вследствие . него солесодержания и производительности мембран.

На. основании полученных результатов составлены программы, используемые для технологического расчета установок и оптимизации подбора мембран и рабочих условий эксплуатации систем. Одним из главных результатов представляемой работы является подбор мембран не только по технологическому принципу (т.е. для достижения эффекта очистки и предотвращения отложений), но и на основе определения времени работы установки до "проскока" загрязнений, что позволяет значительно продлить время фильтроцикла (время работы до проведения химических регенераций) и сократить затраты на реагенты (ингибиторы и моющие растворы) при сохранении требуемого качества; воды в течение всего периода работы установки. Такой методический подход позволяет получить очищенную воду заданного качества при одновременной экономии эксплуатационных затрат, что определяет практическую ценность настоящей работы.

Главным выводом настоящей работы и ее главным результатом является метод определения технологических параметров установок (давления, выхода фильтрата, и т.д.) одновременно с соблюдением гигиенических требований к качеству питьевой воды. В основу расчета мембранных систем закладывается способность мембран очищать воду и снижать концентрации загрязнений как можно дольше без образования на них осадка. Расчеты эксплуатационных затрат демонстрируются на примерах снижения аммония, фторидов и железа как обратноосмотическими, так и нанофильтрационными мембранами. Как показано в гл. 3 и 4, применение нанофильтрационных мембран типа ОПМН-К (обратноосмотические полимерные мембраны — нано — композитные, производство "Владипор" г. Владимир) позволяет во многих случаях практически вдвое продлить время непрерывной работы установок и вдвое сократить затраты на расходные материалы (ингибиторы и моющие растворы) при одинаковой эффективности получения питьевой воды (снижение жесткости, фторидов, железа и т. д.)

9. Результаты работы внедрены на ряде объектов питьевого водоснабжения, использующих нанофильтрационные мембраны типа ОПМН (производства ООО "Владипор") для обработки подземных вод с высоким содержанием железа, жесткости, фторидов, аммония, а также при подготовке питьевой воды для вахтового поселка Нижнее Хальчую из подземной минерализованной воды с высоким содержанием бора.

Условные обозначения:

НФ - нанофильтрация; ОО — обратный осмос; УФ — ультрафильтрация; - производительность установки или аппарата по фильтрату, м3/сут, л/час;

Оконц. ~ расход концентрата, м3/сут, л/час;

У - поток вещества через мембрану, моль/час;

О^оо - коэффициент диффузии иона / в растворе;

С, - концентрация в растворе, моль/мЗ; г г валентность;

Р- число Фарадея;

Аф - разность потенциалов, В; х - расстояние от поверхности мембран, м; л

V - объем фильтрата, (м ); ? - время фильтрования, (час); л

А - площадь мембраны, (м ); АР - величина давления, (бар); г} - вязкость воды;

Кт, ЛЬ и Яс — сопротивление мембраны, сопротивление за счет "закупорки" пор и сопротивление осадка; I— удельное сопротивление слоя осадка.

1. Апельцин И.Э., Клячко В.А. Опреснение воды. М., Стройиздат, 1968.

2. Клячко В.А., Апельцин И.Э. Очистка природных вод. М.,.Стройиздат, 1971.

3. Ясминов А.А., Орлов А.К., Карелин Ф.Н. Обработка воды обратным осмосом и ультрафильтрацией: Mi: Стройиздат, 1978;

4. Карелин Ф.Н. Обессоливание воды обратным осмосом. М.: Стройиздат, 1988.

5. Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. М.: Химия, 1978.

6. Мульдер Mi Введение в мембранную технологию: Пер. с англ. — М.: Мир, 1999;

7. Дытнерский ЮЖ Баромембранные процессы. — М.: Химия, 19861

8. Кочаров Р.Г„ Гутиеррес Л.Э.Р., Захаров СЛ. К расчету селективности при разделении многокомпонентных водных растворов обратным осмосом. Ml, 1984; - Деп. в ВИНИТИ 30.07.84, №5498.

9. Хванг С.-Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения. — М.: Химия-1981.

10. Nederlof M.M., Kruitho J.C., Taylor J.S., D. van der Kooij, J.C. Schippers Comparison of NF/RO mem-brane performance in integrated systems. //

11. Proc. of the Conf. on Membranes in Drinking and Industrial Water Production. Paris, France, 3-6 October 2000. V 1, p. 453—465.

12. Mohsen Mousa S., Al-Jayyousi Odeh R. Brackish water desalination: an alternative for water supply enhancement in Jordan. // Presented at the Conf. on Desalination and the Environment, Las Palmas, November 9-12, 1999. p. 163-174

13. Glucina K, Alvarez A., Laine J.M. Assessment of an integrated membrane system for surface water treatment. //Proc. of the Conf. on Membranes in Drinking and Industrial' Water Production. Paris, France, 3-6 October 2000. V 2, p. 113-122.

14. Khalik Agus, Praptowidodo V.S. Nanofiltration for drinking water production from deep well water. //Proc. of the Conf. on Membranes in Drinking and Industrial Water Production. Paris, France, 3-6 October 2000. V2, p. 549-554.

15. Matt Mass. Filter Findings. Water technology, Feb. 2001. P. 28-30.

16. Douglas Page, Now successful is your in-house warranty program. Water technology, Feb 1998. V.21, N 2. P. 116-119

17. Patric Peterson, Chris Peilly. Competing in the water treatment market. Water technology, Feb 1998.V. 21, N 2. P. 18

18. David Walling. Proper under-sink Ro installations ease ather water treatment needs. Water conditioning and Purification magazine, Feb. 1998, p. 80-82

19. Tony Pagliaro. RO come and from under the sink.Water tehnology, Sept. 1998, p. 69-72.

20. Randy Truby. It's all in the choosing, Proper Selection of RO membranes is elemental to quality water. Water tehnology, Sept. 1996, p. 36-42.

21. Joseph Harrison. RO disinfection important installation step. Water , tehnology, August. 1998, p. 67-70.

22. Keth Reid. Arsenic means business. Water tehnology, April. 1999, p. 41-46.

23. Robert Russo. POU/POE tehnologies available for arsenic removal. Water tehnology, August. 1998,p.72-76.

24. Fred Laurent. Chloramines complicate wholè-house water treatment. Water tehnology, Feb 1998. V. 21, N 2. P. 116-119.

25. M Pontie et all. Studies of halide ions mass transfer in nanofiltration -application to selective defluorination of blackisa drinking water. Desalination Vol. 157, (2003). P. 127-134.

26. Ducom Gaelle, Cabassud Corinne. Interests and limitations of nanofiltration for the removal of volatile organic compounds in drinking water production. //Presented at the Conf. on Desalination and the Environment, Las Palmas,

27. Gran Canada, November 9-12,1999. p: 115-123

28. Kang Meea, Kawasaki Mutsuo, Sinya Tamada, Tasuku Kamei, Yasumoto Magara. Effect of pH on the removal of arsenic and antimony using reverse osmosis membranes. // Proceedings of the Conference on Membranes in

29. Drinking and Industrial Water Production, Paris, France, 3-6 October 2000. V. 1, p. 489-494

30. Schutte. The rejection of specific organic compounds by reverse osmosis membranes. Des. (2003)285-294.

31. M Pontie. Seawater nanofiltration (NF): fiction orreality. Des. 158 (2003) 277-280.

32. C. Bartels et all. Pretreatment on RO Performance for Colorado River Water. Desalination and WaterReuse, Vol. 10/2, Aug-Sept. 2000. P. 52-53

33. Wayne T. Bates. Avoid fleling found over RO maintenance. Water tehnology, Feb. 1998: P. 64-66.

34. Keith Summerford and Ben Quartermaine. The importance of Pretreatment for RO systems. Water conditioning and purification magazine, Feb. 1998,p. 84-87.

35. A J. Shafer, A.G. Fane, T.D. Waite. Fouling effects on rejection in themembrane filtration of natural waters.

36. Abbas Abderrahim, Al-Bastaki Nader. Flux enhancement of RO desalination processes. //Proc. of the Conf. on Membranes in Drinking and- Industrial Water Production, Paris, France, 3-6 October 2000p. 611-617

37. Wright Scott, Ranville James, Amy Gary. Relating complex solute mixture characteristics to membrane fouling. // Proc. of the Conf. on Membranes in Drinking and Industrial Water Production, Paris, France; 3-6 October 2000. V. 1, p. 207-214

38. Sheikholeslami R., Ong H. W.K. Kinetics and thermodynamics of calcium carbonate and calcium sul-fate at salinities up to 1.5 M. // Presented at the European Conf. on Desalination and the Environment: Fresh Water for All, Malta, 4-8 May 2003. p. 217-234

39. Al-Ahmad M., Abdul Aleem F.A., Miitiri A., Ubaisy A. Biofuoling in RO membrane systems Part 1: Fundamentals and control . //Proc. of the Conf. on Membranes in Drinking and Industrial Water Production, Paris, France, 3-6 October 2000. V 2, p. 389-395

40. Semiat Raphael, Sutzkover Iris, Hasson David. Scaling of RO membranes from silica supersaturated solutions. //Presented at the European Conf. on Desalination and the Environment: Fresh Water for All, Malta, 4-8 May 2003. p. 169-191.

41. Alessandro Bossoli. Biofouling in pretreatment Systems: Problem and Solution. EDS Newsletter, Is-suer2, September 1996.

42. Pervov A.G., Mëlnikov A.G. The determination of the required fonlant removal degree in RO feed pre-treatment, proceedings of the IDA Conference (2631 Ang. 1992, Washington), Vol. II.

43. Pervov A.G. et. all. A sumplifed RO process design based on understanding of fouling Mechanisms. Desalination 126 (1999) 227 247.

44. Pervov A. G. et. all. RO and NF membrane systems for drinking water production and there maintenance techniques. Desalination 132 (2000) 315 -321.

45. WilP Mark, Alt Steven. Application of low fouling RO membrane elements for reclamation of municipal * wastewater. // Proc. of the Conf. on Membranes in Drinking and Industrial Water Production, Paris, France, 3-6 October 2000. V. 1, p. 585-593

46. Fox Ron, Peters Thomas. Industrial applications of membranes manufactured with improved fouling resistance. // Proc. of the Conf. on Membranes in Drinking and Industrial Water Production, Paris, France, 3-6 October 2000. V. 2, p. 501-503

47. Coker Steven, Sehn Peter. Four years field experience with fouling resistant reverse osmosis membranes. // Proc. of the Conf. on Membranes in Drinking and Industrial Water Production, Paris, France, 3-6 October. V. 2, p. 447451

48. Weber Ralph, Chmiel Horst, Mavrov Valko. Characteristics and application of new ceramic nanofiltration membranes. // Presented at the European Conf. on Desalination and the Environment: Fresh Water for All, Malta, 4-8 May 2003. p. 113-125

49. M. Wet and Steven Alt. Lower membrane Fouling and Improving Elements Integrity in Municipal Wastewater Reclamation. Desalination and Water Reuse, p.51 Aug-Sept. 2000; Vol. 10/2

50. N.Hilal et all. Using atomic force spectroscopy towards improvement in nanofiltration membrane properties for desalination pretreatment: a review Desalination 157 (2003) 137 144.

51. N. Hilal. Fotochimical madefication of membrane surfaces for (bio) fouling reduction, f nano-scale study using AFM. Des., vol 157 (2003)

52. M. Futselaar et all. Direct capillary nanofiltraon for surface water/ Desalination v. 157 (2003) p. 135-136

53. Gill Jasbir S. A novel inhibitor for scale control in water desalination. //Presented at the Conf. on Desalination and the Environment, Las Palmas, November 9-12,1999. p. 43-50

54. Al-Rammah Ahmed. The application of acid free an-tiscalant to mitigate scaling in reverse osmosis membranes. // Proc. of the Conf. on Membranes in Drinking and Industrial Water Production, Paris, France, 3-6 October 2000. V. 2, p. 123-127

55. Patel Suresh, Finan Michael A. New antifoulants for deposit control in MSF and MED plants. //Presented at the Conf. on Desalination and the Environment, Gran Canaria, Las Palmas, November 9-12, 1999. p.63-74

56. C.A.C. van de Lisdonketal. Monitoring scaling in nanofiltration and reverse osmosis membrane systems. Proceedings of the conference on membranes on drinking and industrial water problem. Vol. 2 p. 141-148, Oct. 2000, Desalination publications.

57. Linda Y. Dudley. Combating the threat of silica fouling in RO plants -Practical Experiences. Desalination and Water Reuse, Vol. 12/4, Feb.-March. 2003.

58. Первов А. Г. Ефремов P. В. Рудакова Г. Я. «Прогноз показателей работы нанофильтрационных мембран и выбор оптимальных доз реагентов при эксплуатации мембранных установок для получения питьевой воды»: «ЭКВАТЭК-2008» Москва, 2008. Сборник докладов.

59. Юрчевский Е. Б. Первов А. Г. Кравцов В. Б. «Подготовка воды из поверхностного водоисточника в условиях крайнего Севера», ВСТ, № 10,2007, с. 9-14.

60. Первов А. Г. и др. «Разработка компьютерной программы для использования нанофильтрационных мембран марки CSM (SAEHAN) для получения питьевой и технической воды». Критические технологии. Мембраны. 2008. №1(37), с. 9-18.

61. Pervov A.G. Scale Formation Prognosis and Cleaning Schedules in RO Systems Operation. //Desalination. 1991. V. 83, p. 77.

62. Pervov A.G. et al. RO and NF membrane systems for drinking water production and their maintenance techniques. // Desalination. 2000. V. 132, p. 315-321.

63. Первов А.Г., Макаров P. К, Андрианов А.П., Ефремов Р.В. / Мембраны: новые перспективы освоения рынка питьевой воды // Водоснабжение и сан. техника. 2002. №10, стр. 26-29.

64. Первое А.Г. и др. «Производство и сервис систем водоподготовки с применением мембран». Водоснабжение и санитарная техника, №5, 2000г., с.17-19.

65. J. Redondo, М. Busch. J.-P. De Witte. Boron removal from seawater using Filmtec high rejection SWRO membranes. // Desalination. 156 (2003), p. 229-238.

66. A.G. Pervov et al. A new Solution for the Caspian Sea desalination: low pressure membranes. // Desalination, 157 (2003), p. 377-384.

67. Первов А. Г. Рудакова Г. Я. Ефремов Р. В. «Разработка программ для . технологического расчета систем обратного осмоса и нанофильтрациис использованием реагентов "Аминат"» ВСТ, 2009, №7, с. 21.

68. Первов А. Г. "Разработка и внедрение мембранной обратноосмотической технологии в области водоподготовки"// Диссертация. Москва 1997 г. На соискание ученой степени доктора технических наук.