Технологические решения современных водоподготовительных систем

А.А. Пантелеев, Б.Е. Рябчиков, О.В. Хоружий, Э.Р. Календарев

Рассмотрим основные риски, способные вызвать ухудшение качества воды, подаваемой на установку электродеионизации в составе ИМТ.

Риски, связанные с изменением внешних условий
При проектировании, как правило, рассматривают многолетние наблюдения и в техническом задании на разработку ВПУ задают максимально наблюдаемые концентрации загрязнений. Однако существуют значительные риски, что заданные техническим заданием условия могут быть нарушены. Природные катаклизмы (интенсивные осадки, паводки, сели) или техногенное воздействие на источники воды могут привести к резкому кратковременному или долговременному ухудшению качества исходной воды – повышению ее мутности, концентрации взвешенных частиц, органических примесей, солей, железа и т.п. Во всех этих случаях возможно ухудшение качества воды на выходе с установки обратного осмоса, подаваемой на установку ЭДИ. Отдельного обсуждения заслуживают риски, связанные с изменением температуры исходной воды. Понижение температуры воды приводит к снижению производительности мембран и снижению выхода очищенной воды (рис. 5). Недостаток воды может быть компенсирован подмесом к ней воды из других источников, например резервуаров запаса, качество воды в которых может быть недостаточным. Данная проблема может быть исключена при правиль-ном проектировании, предусматривающем достаточную производительность УОО с учетом температурных колебаний или специальную систему подогрева исходной воды. Возможность повышения температуры исходной воды при проектировании почти никогда не учитывается. Однако в ряде случаев оказывается, что этот фактор может оказаться значимым. Например, летом в 2005 года вода в водоотводном канале р. Дон вокруг Новочеркасской ГРЭС более месяца имела температуру более 35–40 °С. Летом 2010 года во многих регионах европейской части России температура воды в непроточных водоемах превышала 30–35 °С. На рис. 6 представлена расчетная зависимость УЭ пермеата одноступенчатой промышленной УОО от температуры воды при ее невысоком исходном содержании 400 мг/дм3 и стандартной степени отбора 75 % (при температуре 15 °С). Как видим, при высоких температурах УЭ фильтрата существенно превышает оптимальные 5–10 мкСм/см. Кроме того, при повышении температуры воды изменяется индекс Ланжелье и ухудшаются условия ингибирования отложений. Это обстоятельство также влияет на качество фильтрата.


Рис. 5. Зависимость производительности промышленной УОО (выход пермеата) от температуры исходной воды при фиксированном давлении на входе в установку и гидравлическом КПД 75 %	Рис. 6. Зависимость удельной электропроводности пермеата УОО от температуры исходной воды при фиксированном давлении на входе в установку и степени отбора фильтрата 75 %

Технологические, конструкционные и экономические риски в работе УОО
Наряду с вышеуказанными внешними рисками к отклонению качества фильтрата от проектного могут привести риски, связанные с конструкцией, техническими характеристиками и практическими аспектами эксплуатации УОО. Сердцем УОО является обратноосмотический мембранный элемент (МЭ). В современных УОО используются в основном многолепестковые МЭ рулонного типа. Несмотря на максимально тщательную отработку их конструкции производителями, они имеют ряд «слабых» мест, приводящих к возможности проявления следующих «технических» рисков в процессе их эксплуатации:

Характеристики МЭ, в частности степень очистки, деградируют в процессе эксплуатации, что приводит к постепенному повышению солесодержания пермеата УОО.
Характеристики МЭ не восстанавливаются полностью после химических моек.
Постепенно падает производительность МЭ, что приводит к изменению потока с УОО и отклонению от проектных показателей.
Согласно данным производителей и эксплуатационному опыту технические характеристики новых МЭ могут существенно варьироваться (10–15 %) по производительности, селективности, гидросопротивлению и т.д. При этом если для новых установок устранение проблем, связанных с разбросом технических параметров МЭ, – ответственность изготовителя установки, то при замене МЭ этот фактор случайный. Осознать и устранить эту проблему для эксплуатирующей организации – задача чрезвычайно трудная.

При рассмотрении результатов расчетов, обосновывающих проектные решения по УОО, следует учитывать, что все расчетные программы, используемые для оценки параметров воды, выдаваемой установкой обратного осмоса (например, программа РОСА, использованная при построении графиков на рис. 5, 6), ориентированы на свежее состояние мембран. В процессе работы происходит частичное засорение мембран различного рода отложениями, что не только меняет их производительность, но и усиливает роль концентрационной поляризации, приводя к росту солесодержания пермеата. Практика показывает, что при типичных интервалах между химическими мойками солесодержание пермеата может возрасти в несколько раз. Это означает, что при допустимой УЭ воды, подаваемой на установку ЭДИ, на уровне 10–15 мкСм/см УЭ воды, выдаваемой установкой обратного осмоса в начале цикла, должна составлять 3–5 мкСм/см, что практически не может быть стабильно обеспечено одноступенчатой установкой. МЭ в УОО промышленного класса монтируются в цилиндрических фильтродержателях напорного типа, обычно 5–7 шт. в каждом. Расположение и стандартное соединение МЭ в фильтродержателях изображены на рис. 7. Конструктивной слабостью такого технического решения являются резиновые уплотнения кольцевого типа.

Рис. 7. Размещение рулонных элементов в корпусе
Из-за деградации материала, микродвижений МЭ при включении и выключении УОО имеется заметная вероятность образования трещин и других дефектов в уплотнениях. Это приводит к микропротечкам исходной воды в тракт пермеата и соответствующему ухудшению его качества. Другим возможным источником протечек являются клееные швы мембранных пакетов. При этом следует учитывать, что в многолепестковых МЭ длина швов больше, чем в однолепестковых. Для большинства применений УОО такого рода микропротечки оказываются некритичными. Однако использование их в качестве предочистки перед УЭДИ может привести к заметным проблемам, так как наряду с увеличением электропроводности воды происходит проникновение органических и биологических загрязнений в пермеат. Негативное воздействие последних на УЭДИ более критично, чем повышенное содержание растворенных солей. Другой особенностью конструкции промышленных УОО в энергетике является наличие застойных зон как в конструкции УОО, так и в части ВПУ после нее. По разным причинам возможен внезапный выход МЭ из строя. Наиболее часто это происходит при приближении к исчерпанию ресурса работы элементов, так что выход из строя одного из них может вызвать цепное повреждение остальных. Как правило, сроки закупки и поставки МЭ составляют несколько месяцев. Это является особенностью экономической организации и планирования работы ТЭС, их снабжения через управляющие структуры, а также возможного отсутствия заметного складского запаса промышленных МЭ необходимого типа у компаний-дистрибьютеров МЭ. Сводка соответствующих рисков и методов предотвращения их последствий приведена в табл. 6.

Таблица 6
Внешние риски и методы их предотвращения

Современные системы водоподготовки для медицины и фармпроизводств