Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

разработка систем подготовки воды питьевого качества с применением мембранных технологий

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

Спицов Дмитрий Владимирович

Москва - 2012

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: Щербаков Владимир Иванович,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет», кафедра гидравлики, водоснабжения и водоотведения, профессор

Юрчевский Евгений Борисович,

доктор технических наук, ОКБ «Гидропресс», главный специалист

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт коммунального водоснабжения и очистки воды»

Защита состоится «___» ___________2012 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. _______.

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

Автореферат разослан «___» ___________ 2012 года.

Учёный секретарь

диссертационного совета Орлов Владимир Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Данная работа посвящена созданию технологии, позволяющей снабжать потребителей водой питьевого качества. На сегодняшний день это сложная задача: с одной стороны - ужесточение требований предъявляемых ВОЗ к питьевой воде, а с другой - ухудшение состояния источников водоснабжения и изношенность городских инженерных коммуникаций. Вода, поступающая в хозяйственно-питьевой водопровод, должна соответствовать требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01, прежде всего, по таким показателям, как мутность, цветность и окисляемость, содержание ионов железа. В настоящее время в городах России для выполнения этих требований модернизируются существующие водопроводные очистные сооружения (ВОС), а также используются дополнительные системы очистки воды различной производительности.

Для решения поставленной выше задачи необходимы новые разработки, отвечающие современным требованиям, как по качеству очищенной воды, так и по ряду других показателей: экологичность (т.е. отсутствие вредных сбросов), минимальное потребление воды на собственные нужды, простота обслуживания, монтажа, демонтажа, автоматизации, возможность увеличения мощности в стесненных условиях малых помещений.

Современные традиционные технологии подготовки воды питьевого качества основываются на применении напорных фильтров с загрузкой из песка, активированного угля и ионообменной смолы, имеющих высокие эксплуатационные затраты, связанные с заменой загрузок или с регенерацией после их истощения и образующих большое количество стоков при промывке и регенерации. Мембранные методы разделения, в частности ультрафильтрация (УФ) и нанофильтрация (НФ), являются одними из наиболее перспективных методов, позволяющих получать воду требуемого качества без применения реагентов, значительно снизить затраты на подготовку питьевой воды, экономить производственные площади и снижать трудозатраты. Однако на территории РФ большого распространения в питьевом водоснабжении мембранные установки не получили. Предубеждение против их использования основывается на следующих принципах: «слишком хорошо» чистят воду, т.е. удаляют из нее жизненно важные компоненты; а также имеют высокие значения капитальных, эксплуатационных затрат и расходов воды на собственные нужды.

В настоящей работе проведены исследования, позволяющие обосновать возможность применения мембранных установок в питьевом водоснабжении, осуществить правильный выбор метода мембранного разделения (УФ или НФ), подобрать оптимальный тип мембран, обеспечивающий требуемое качество очищенной воды в зависимости от качества исходной воды.

Целью работы является научное обоснование эффективности применения мембранных систем подготовки воды питьевого качества с минимальными эксплуатационными затратами. Для этого в работе проведен ряд исследований, результаты которых позволяют:

- продемонстрировать преимущества мембранной технологии для подготовки воды питьевого качества перед традиционно используемыми для этой цели осветлительно-сорбционными фильтрами, показав высокий экономический эффект за счет уменьшения эксплуатационных затрат;

- осуществить правильный выбор метода мембранного разделения (УФ или НФ);

- определить оптимальные параметры работы мембранных установок (для нанофильтрационных: тип мембран, величина рабочего давления, выход фильтрата, а для ультрафильтрационных: величина пористости мембран, от чего зависит общее количество получаемой воды), соответствующие минимальным эксплуатационным затратам и обеспечивающие требуемое качество очищенной воды в зависимости от качества исходной воды.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана экспериментальная методика расчета значений концентрации ионов кальция (Са2+), магния (Mg2+), натрия (Na+), гидрокарбонат-иона (HCO3-), хлора (Cl-), сульфат-иона (SO42-), аммония (NH4+), фтора (F-), железа (Fe2+) в воде, очищенной с помощью нанофильтрационных мембран. На основе полученных данных составлена компьютерная программа, которая позволяет в зависимости от состава исходной воды выбрать оптимальный тип мембран, обеспечивающий требуемое качество очищенной воды, соответствующее требованиям СанПиН, а также выбрать оптимальные значения рабочих параметров установок: величины рабочего давления и выхода фильтрата;

- впервые для прогнозирования содержания в очищенной воде растворенных органических веществ и оценки эффективности очистки по окисляемости использован спектрофотометрический анализ;

- разработана методика, позволяющая проводить технико-экономический анализ и сравнение различных технологий, применяемых для подготовки воды питьевого качества;

- впервые проведена оптимизация выбора типа ультрафильтрационных мембран (по их пористости) на основе оценки скорости закупорки взвешенными и коллоидными частицами.

Практическая значимость состоит в обосновании применения мембранных установок для получения воды питьевого качества и сокращения эксплуатационных затрат за счет отказа от расходных материалов (активированного угля), снижения расходов воды на собственные нужды и потребления электроэнергии. Разработанные программы и рекомендации позволяют определить величины эксплуатационных затрат и выбрать оптимальный вариант мембранного разделения, соответствующий минимальным значениям затрат на подготовку воды и определенному типу мембран.

Благодаря полученным результатам, может быть выбран оптимальный тип нанофильтрационных мембран, соответствующий минимуму затрат на очистку исходной воды. Выбор оптимальных типов ультрафильтрационных мембран основан на выборе величин пор, что позволяет сократить расход воды на промывку мембранных аппаратов.

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

На защиту выносится:

-разработанная автором методика экспериментального определения значений селективности испытуемых нанофильтрационных мембран по различным ионам;

-разработанная автором программа прогноза качества очищенной воды и подбора оптимальных типов нанофильтрационных мембран для различных составов воды и режимов работы мембранных аппаратов;

- разработанная автором методика оценки эффективности очистки воды от органических веществ с применением нанофильтрационных мембран;

-результаты проведенных автором оптимизационных расчетов по определению эксплуатационных затрат;

-результаты теоретических и экспериментальных работ по подбору характеристик ультрафильтрационных мембран для различных составов воды.

Апробация работы

О результатах исследований и практического применения разработанных систем докладывалось на ряде отечественных и международных конференциях, семинарах и симпозиумах, а именно:

- Открытый конкурс молодых ученых и специалистов на соискание премии ГУП «МосводоканалНИИпроект» в области водоснабжения и водоотведения, 6 апреля 2007г. В Москве (работа отмечена дипломом II степени);

- Научно-техническая конференция по итогам научно-исследовательских работ студентов МГСУ за 2004/2005; 2005/2006; 2006/2007; 2007/2008; 2008/2009; 2009/2010; 2009/2010 учебные года;

- Форум выставки MosBuild-2006, секция «Водоснабжение и водоотведение, водоочистка» Москва, Экспоцентр, 6 апреля 2006г.;

- Международные конгрессы «Вода: экология и технология» «ЭКВАТЭК-2006», «ЭКВАТЭК 2008», Москва, Крокус Экспо, 30 мая- 02 июня 2006г. и 3-6 июня 2008г., соответственно;

- Международная научно-практическая конференция «ВОДА: ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ», Москва, ВВЦ, павильон №57, 11-14 апреля 2007г.;

- II конференция «Современные технологии водоподготовки и защиты оборудования от коррозии и накипеобразования» ГК «Измайлово», Москва, 22 - 24 мая 2007 г.;

- XI европейский АВОК-EHI симпозиум «Современное энергоэффективное оборудование» в рамках выставки SHK MOSKOW. Секция «Эффективные технологии в водоснабжении и водоотведении» Экспоцентр. 31 мая 2007г.;

- Одиннадцатая и Двенадцатая Международные межвузовские научно-практические конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности». МГСУ, Москва 15-24 апреля 2008г и 15-22 апреля 2009г., соответственно;

- XXIV и XXVII конференции и выставки «Москва - энергоэффективный город» Секция «Эффективные технологии водоснабжения и водоотведения» Москва, Новый Арбат 36/9. 24-26 октября 2007г. 27-29 октября 2010г., соответственно;

- Первая IWA Восточно-Европейская региональная конференция молодых ученых и специалистов водного сектора, 21-22 мая, 2009г., Минск, Беларусь (1st Eastern European Regional Young Water Professionals Conference, May 21-22, 2009, Minsk, Belarus);

- Международная конференция технологии опреснения и очистки воды, 10-12 мая 2008г., Шарм Эль Шейх, Египет (ADST2008 International Conference Desalination Technologies and Water Reuse May 10-12, 2008 Sharm-El-Sheikh, Egypt);

- Всероссийские научные конференции «МЕМБРАНЫ-2007», «МЕМБРАНЫ-2010», 4-8 октября 2007г. и 4-8 октября 2010г., соответственно;

- Конференция Международной водной ассоциации IWA-Мембранные технологии в водоснабжении и водоотведении, 2-4 июня 2008г., Москва (IWA Regional conference - Membrane technologies in water and waste water treatment);

- Конференция Международной водной ассоциации (IWA) «Водоподготовка и очистка сточных вод населенных мест в XXI веке: Технологии, Проектные решения, Эксплуатация станций», 2-4 июня, 2010 г., Москва, Крокус Экспо);

- Международная инженерно-экологическая конференция (Белостокский государственный университет, Польша), июнь 2011г.

По теме выполненных исследований опубликовано 20 статей, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Личный вклад состоит в выполнении экспериментальных работ, обработке материалов, подготовке рекомендаций.

Структура и объём диссертации

доочистка водопроводный городской здание

Диссертация включает введение, четыре главы, общие выводы, список литературы из 145 наименований, приложения в виде таблиц и справок о внедрении. Работа изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 55 рисунков, 4 таблицы.

Во введении обосновывается возможность использования современных разработок в области мембранных технологий для создания мембранных установок подготовки воды питьевого качества.

В первой главе представлен аналитический обзор современного состояния мембранной технологии и использования ее для улучшения качества воды. Описаны основные направления работы по совершенствованию мембранных технологий при их применении в питьевом водоснабжении.

Во второй главе приводятся полученные автором новые экспериментальные данные, позволяющие выбрать оптимальный тип мембран в зависимости от состава исходной воды, а также прогнозировать качество фильтрата мембранных нанофильтрационных установок не только по основным шести компонентам (ионам Na+, Ca2+, Mg2+, SO42-, HCO3-, Cl-), но и по ряду других компонентов (ионам железа, фторид-ионам и др.).

В настоящей работе применен экспериментальный подход к прогнозу качества воды; исследования проводились на трех типах серийно-выпускаемых нанофильтрационных мембран различной селективности производства южно-корейской фирмы «SAEHAN CSM»: NE4040-70, NE4040-90 и RE4040-BLN. Схема экспериментальной установки показана на рис. 1.



Рис. 1. Схема лабораторной нанофильтрационной установки:

1 - бак исходной воды; 2 - бак сбора фильтрата; 3 - мембранный аппарат; 4 - байпасная линия; 5 - насос; 6 - манометр; 7 - вентиль регулировки давления.

Вода заданного состава помещалась в бак исходной воды, откуда насосом подавалась в мембранный аппарат, в котором вода разделялась на два потока: фильтрат (очищенная вода) и концентрат - сбросной поток, в котором находятся загрязнения. Фильтрат после аппарата собирался в бак фильтрата, а концентрат направлялся обратно в бак исходной воды. На различных типах мембран определялось влияние на качество очищенной воды таких факторов, как величина выхода фильтрата, изменение солесодержания исходной воды, которое изменялось путем добавления в нее NaCl, и величины рабочего давления.

Результаты экспериментов представлены на рис. 2.-4. в виде соответствующих зависимостей, каждая экспериментальная кривая соответствуют четырем точкам выхода фильтрата 20%, 25%, 50% и 75 %, при которых определялись значения концентрации различных ионов в фильтрате и концентрате установки. Каждый эксперимент представляет собой процедуру получения фильтрата из воды заданного состава. В первой серии экспериментов проводилось сравнение ионного состава фильтрата при обработке различными типами мембран подземной воды, состав которой показан в табл. 1., определялись концентрации ионов Ca2+, Cl-, HCO3-, а также ионов NH4+, F-, Fe2+ в фильтрате (путем добавления в воду растворов NH4ОН, FeCl3 и NaF, концентрация ионов NH4+, Fe2+, F- составляли от 0,5 до 5 мг/л). При увеличении концентрации различных ионов в исходной воде соответственно меняются их концентрации в фильтрате (рис. 2.).

Таблица 1. Идентификация состава исходной воды.

Ионы	Исходная вода, мг/л	Экспериментальные данные (тип мембран NE-90)
		Выход фильтрата ?=50%	Выход фильтрата ?=75%
		Фильтрат	Концентрат	Фильтрат	Концентрат
Са2+	60	8	110	24	168
Mg2+	12	3,2	20,8	4,6	30
Na++К+	23	11,5	25,3	18,4	36,8
Cl-	17	8,75	25	12,6	43,7
SO42-	48	12,0	91,84	16,8	139,2
HCO3-	244	79,3	378,2	158,6	512,4
NH4+	9	4,2	13,8	4,3	23
Fe2+	0,3	0,19	0,49	0,12	0,9
F-	0,4	0,05	0,75	0,16	1,29

Рис. 2. Сравнение значений селективности различных типов мембран по ионам:а) Са?+; б) Cl-; в) НСО3-.

Во второй серии экспериментов солесодержание исходной воды изменялось путем добавления в нее NaCl в количествах 20 мг-экв/л и 40 мг-экв/л соответственно. Увеличение солесодержания ухудшает показатели селективности мембран (рис. 3).

Рис. 3. Влияние значения солесодержания исходной воды (тип мембран NE-70) на концентрацию в фильтрате ионов: а) Са?+; б) НСО3-; в) Fe?+.

В зависимости от величины рабочего давления (третья серия экспериментов) и величины выхода фильтрата изменяются показатели качества фильтрата (рис. 4).

Рис. 4. Изменение значений селективности мембран NE-70 при различных величинах рабочего давления по ионам: а) Са?+; б) НСО3-; в) NH4+.

Результаты экспериментальных данных представлены в табл. 2, пользуясь которой, в зависимости от величины солесодержания исходной воды, а также величины рабочего давления и выхода фильтрата, определяются значения концентраций различных ионов в фильтрате и концентрате установки. Приведенные в табл. 2 значения представляют собой доли от значений концентрации соответствующих ионов в исходной воде, попадающих в фильтрат и концентрат. Для удобства расчетов модельный состав исходной воды представлен значениями концентраций всех ионов 1 мг-экв/л, либо 1 мг/л. При определении показателей качества фильтрата и концентрата значения концентрации ионов в исходной воде умножаются на соответствующие коэффициенты в таблице. В компьютерных расчетах увязка концентрации шестикомпонентного состава проводится путем корректировки концентрации гидрокарбонат-ионов, исходя из условий электронейтральности.

При использовании мембранных технологий в питьевом водоснабжении важной проблемой является эффективность задержания органических загрязнений (гуминовых веществ, хлорорганических соединений). В зависимости от своего молекулярного веса молекулы органических веществ по-разному задерживаются мембранами и по-разному поглощают свет, причем это поглощение зависит от длины волны сканирующего света и от состава веществ, в связи с чем изучение эффективности задержания органических веществ мембранами проводилось с помощью спектрального анализа.

Таблица 2. Пример обработки результатов экспериментальных данных (тип мембран NE-70).

Общее солесодержание, мг/л	Ионы	Концентрация в исходной воде	Давление 0,5 МПа
			Выход фильтрата 50%	Выход фильтрата 75%
			Концентрация в фильтрате	Концентрация в концентрате	Концентрация в фильтрате	Концентрация в концентрате
500-1500	Са2+	1 мг-экв/л	0,4	1,4	0,6	1,66
	Mg2+	1 мг-экв/л	0,4	1,4	0,6	1,66
	Na++К+	1 мг-экв/л	0,5	1,5	0,78	1,69
	Cl-	1 мг-экв/л	0,54	1,48	0,62	1,72
	SO42-	1 мг-экв/л	0,3	1,7	0,4	2,8
	HCO3-	1 мг-экв/л	0,46	1,73	0,48	2,54
	NH4+	1 мг/л	0,8	1,19	0,88	1,36
	F-	1 мг/л	0,47	1,53	0,64	2,06
	Fe2+	1 мг/л	0,55	1,45	0,61	2,15

На рис. 5. представлены спектрограммы поверхностной, водопроводной воды и их фильтратов после очистки воды помощью нанофильтрационных мембран. Как видно из рисунков, различным длинам волн соответствуют разные величины светопоглощения. Анализ кривой показывает - во сколько раз снижается оптическая плотность, во столько раз уменьшается окисляемость воды.



Рис. 5. Зависимость оптической плотности воды от длины волны при сканировании поверхностной воды (а), водопроводной (б) и их фильтратов.

В третьей главе представлены результаты обработки экспериментальных данных, на основании которых составлены рекомендации по выбору оптимальных типов мембран, позволяющих получить качественную питьевую воду и добиться минимальных расходов воды на собственные нужды.

Описанные выше результаты легли в основу разработки программы технологического расчета установок нанофильтрации, используемых для питьевого водоснабжения. Разработанная программа адаптирована к мембранам производства фирмы «SAEHAN CSM» и позволяет в зависимости от состава исходной воды выбрать оптимальный тип мембран, обеспечивающий требуемое качество очищенной воды, соответствующее требованиям СанПиН, а также выбрать оптимальные значения рабочих параметров установок: величины рабочего давления и выхода фильтрата.

Разработанная программа позволяет после ввода исходных данных получить значения концентрации различных ионов в фильтрате и концентрате при величинах выхода фильтрата 50% и 75% и сравнить показатели качества фильтрата с нормативными значениями по СанПиН 2.1.4.1074-01. Одновременно можно рассчитать и сравнить состав фильтрата, полученный с помощью различных типов мембран и величин давления (табл. 3). Такие данные позволяют выбрать оптимальные значения рабочих параметров установки: тип мембран, рабочее давление, выход фильтрата.

Таблица 3. Пример выбора оптимальных типов мембран для давления 1,2 МПа.

Исходная вода	Концентрации мг/л	Тип мембран NE-70
		Выход фильтрата 50%	Выход фильтрата 75%
		Фильтрат, мг/л	Концентрат, мг/л	Фильтрат, мг/л	Концентрат, мг/л
Ca2+	100.00	60.00	131.00	78.00	165.00
Mg2+	34.00	26.52	44.54	6.12	56.10
Na+ + K+	23.00	14.26	31.74	15.64	45.08
Fe2+	0.50	0.19	0.81	0.33	1.02
NH4+	1.10	0.80	1.40	0.95	1.54
Cl-	70.00	41.30	98.70	46.90	139.30
SO42-	96.00	27.84	164.16	38.40	267.84
HCO3-	244.00	100.04	380.64	136.64	561.20
F-	0.20	0.10	0.30	0.12	0.44

На рис. 6. представлены графики, построенные по данным разработанной компьютерной программы. Все расчетные значения концентрации ионов даны в виде долей единицы, т.е. отношения их расчетных величин к нормативному значению по СанПиН 2.1.4.1074-01 (С/Снорм). По графикам можно определить оптимальную величину выхода фильтрата и рабочее давление, при которых данное отношение не превышает единицы, т.е. до проскока соответствующего иона в фильтрат (состав исходной воды указан в табл. 1.). Если данное отношение превышает единицу, то вода не пригодна для питьевых нужд и необходимо по программе подобрать другой тип мембран, либо изменить величину рабочего давления.



Рис. 6. Определение оптимальных величин рабочего давления и выхода фильтрата (тип мембран NE-70): а) зависимость величины относительной концентрации С/Снорм для различных ионов от величины выхода фильтрата, при давлении 0,6 МПа; б) изменение величины относительной концентрации c ростом рабочего давления на примере иона NH4+; в) влияние давления на качество очистки по ионам F-, NH4+ и Fe2+ при выходе фильтрата ?=75%.

В четвертой главе приведены примеры промышленного внедрения установок, разработанных на основе предложенных автором рекомендаций. Для каждого случая при расчете затрат дано обоснование экономической эффективности использования разработанных автором рекомендаций.

Традиционно для удаления из воды взвешенных веществ используются механические напорные фильтры, а для снижения содержания органических веществ и запахов - фильтры с сорбционной загрузкой. Их использование требует, вследствие ограниченной сорбционной емкости загрузок, достаточно высоких затрат на сервисное обслуживание таких установок.

Применение нанофильтрационных установок позволяет решить проблему удаления органических загрязнений из водопроводной воды без применения сорбционных фильтров и при минимальных эксплуатационных затратах.

Основные задачи при проектировании мембранных установок - это подбор оптимального типа мембран в зависимости от состава исходной воды и определение оптимального режима эксплуатации мембранной установки, при котором загрязнение мембран было бы минимальным.

Для удаления из воды взвешенных веществ и коллоидного железа используются ультрафильрационные установки, их применение эффективно при удалении железа из артезианской или водопроводной воды. Работы по оптимизации эксплуатационных затрат УФ установок позволили устранить опасности закупорки пор мембран путем использования рулонных аппаратов с мембранами типа УАМ-150 (размер пор менее 0,01 мкм) молекулярное отсечение 30 кДа (в отличие от коммерческих зарубежных аппаратов с размером пор 0,05 мкм и молекулярным отсечением на уровне 200 кДа).

Основываясь на данных теоретических разработок (моделей), а также на опытных данных, можно рассчитать количество загрязнений, накопленных в мембранном аппарате через заданное число фильтроциклов и определить его производительность к этому времени. При различных продолжительности промывки и фильтроцикла, а также давлении фильтрования и промывки были построены графики, отражающие зависимость объемов очищенной и промывной воды от изменяемых параметров (размеры пор, давления и др.). Оптимальные параметры работы ультрафильтрационных установок находятся по наибольшей полезной производительности за расчетный промежуток времени (рис. 7).



Рис. 7. Оптимизация эксплуатационных затрат для установки производительностью 10 м?/ч при выборе типов ультрафильтрационных мембран: 1 - эксплуатационные затраты; 2 - затраты на воду для промывки; 3 - замена мембран; 4 - затраты на химические промывки.

Необратимое снижение производительности ультрафильтрационных мембран в процессе эксплуатации происходит за счет закупорки части пор. Этот процесс можно значительно замедлить путем уменьшения размера пор мембран. При этом увеличивается стоимость мембран, но значительно сокращаются затраты на химические промывки и промывную воду (для преодоления закупорки обратные промывки ведутся при большем давлении более длительное время), рис. 7.

С уменьшением размера пор мембран растут капитальные затраты (уменьшается удельная производительность мембран), но при этом существенно снижаются расход воды на обратную промывку, а также затраты на проведение химических промывок.

Рулонные элементы изготавливались с участием автора на специальном намоточно-клеевом станке для «скручивания» рулонных элементов. Использовались рулонные элементы специально разработанного типоразмера: длина 400 мм, диаметр 140 мм, для возможности их размещения в стандартном корпусе патронного фильтра (рис. 8.б).

Концентрации органических веществ в воде обобщенно оценивались по характеру кривых светопоглощения, где молекулярному весу и природе органических веществ соответствуют определенные длины волны. На рис. 9 показаны кривые светопоглощения водопроводной воды, пропущенной через нанофильтрационные мембраны и фильтр с загрузкой из угля. Применение нанофильтрационных мембран позволяет получить воду с низкими показателями окисляемости. При дополнительном использовании сорбционных фильтров после нанофильтрации только для удаления запаха ресурс их увеличивается во много раз.

В табл. 4 представлено сравнение основных показателей эксплуатационных затрат при использовании для очистки водопроводной воды трех различных технологий на примере установки производительности 10 м3/ч: осветлительно-сорбционные фильтры, установки ультрафильтрации с последующим сорбционным фильтрованием и установки нанофильтрации.

а

б

Рис. 8. Рулонный ультрафильтрационный элемент: а) устройство; б) рулонный ультрафильтрационный элемент в корпусе стандартного патронного фильтра в) направления движения воды в режиме работы и в режиме промывки.

В случае использования сорбционных фильтров большую часть затрат составляют затраты на замену угля.



Рис. 9. Сравнение оптических спектров водопроводной воды: исходной, очищенной угольным фильтром (а) и нанофильтрационными мембранами (б):1 - исходная вода и фильтрат после пропуска 4 м?; 2 - фильтрат после пропуска 3 м?; 3 - фильтрат после пропуска 1 м?; 4 - вода московского водопровода; 5 - вода после фильтрования через угольный фильтр, расход 240 л/ч; 6 - то же, расход 120 л/ч; 7 - то же, расход 60 л/ч; 8 - вода, очищенная с помощью нанофильтрационных мембран; 9 - вода после НФ мембран и угольного фильтра.

Как показывают результаты ресурсных исследований, проведенных в лабораторных условиях (рис. 9.) уже после пропуска 4 м3 водопроводной воды качество фильтрата по общему содержанию органических соединений практически не отличается от исходной воды (объем угля в фильтре составляет 1 кг). Как показано на рис. 9, после прохождения через нанофильтрационную мембрану качество очищенной воды оказывается намного выше, чем воды после сорбционного фильтра. Поэтому вода после мембранных установок не требует сорбционной доочистки. В предлагаемых системах предусмотрены сорбционные фильтры патронного типа, кратковременно используемые только 1-2 раза в году на случай паводка (появления запаха хлора в водопроводной воде в случаях перехлорирования на ВОС).

Экономический эффект от применения системы нанофильтрации для установки производительностью 10 м3/ч (100 м3/сут) составляет 82,8 тыс. руб./год (табл. 4.) Такой эффект достигается за счет уменьшения объема сорбционной загрузки (угля), которая быстро истощается при очистке воды из водопровода.

Таблица 4. Сравнительный расчет эксплуатационных затрат установки производительностью10 м3/ч (100 м3/сут).

№	Статьи затрат	I вариант	II вариант	III вариант
		Осветлительно-сорбционные фильтры	УФ-сорбция	НФ
1	Замена угля, м 3 /(руб./год)	1м3/(100000)	1м3/(100000)	0,05/5000
2	Мощность эл. двигателя насоса/стоимость электроэнергии, кВт/руб.	4/43800	2/21900	5/54750
3	Амортизационные отчисления на оборудование (замена мембран и насосов), руб./год	30000	15000	26000
4	Вода на собственные нужды (сброс промывной воды и концентрата в канализацию), м3 / руб.	5000/60000	2500/25000	7500/75000
5	Затраты на химические промывки мембран, руб./год	-	6000	10000
	ИТОГО:	233800	167900	151000

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Представлен технологический анализ и технико-экономическое сравнение различных методов для доочистки водопроводной воды в современных городских зданиях.

2. Проведен критический обзор современных моделей, описывающих работу мембранных установок (прогноз качества воды, прогноз работы мембран в процессе их загрязнения), отмечены недостатки существующих представлений о прогнозе качества очищенной воды, намечены пути совершенствования современных мембранных систем очистки.

3. Экспериментально получены зависимости значений селективности мембран по различным ионам от состава исходной воды, величины ее солесодержания и рабочих параметров мембранных установок (выход фильтрата, рабочее давление).

4. Составлена компьютерная программа, позволяющая в зависимости от состава исходной воды, типа мембран и заданных параметров рабочего давления и выхода фильтрата, дать прогноз состава очищенной воды. Программа позволяет в зависимости от состава воды и требований по глубине очистки от различных веществ выбрать оптимальные условия (тип мембран, рабочее давление, выход фильтрата).

5. Предложена общая методика (алгоритм) для построения зависимости значений селективности нанофильтрационных мембран по различным ионам от солесодержания исходной воды и соотношения концентрации в ней двухвалентных и одновалентных ионов.

6. На основе изучения влияния состава воды на селективность мембран по органическим веществам, предложена методика прогноза качества очищенной воды по окисляемости.

7. Приведена оценка качества очистки воды по органическим веществам при использовании различных технологий (фильтрование + сорбция, ультрафильтрация + сорбция, нанофильтрация) и их экономическое сравнение (определены основные эксплуатационные затраты).

8. Представлены примеры определения эксплуатационных затрат для различных случаев применения метода нанофильтрации при очистке водопроводной воды.

9. На основе теоретического изучения процессов загрязнения ультрафильтрационных мембран разработана усовершенствованная методика прогноза работы ультрафильтрационных установок и подбора оптимальных параметров мембран (размера пор) для различных показателей качества воды.

10. Представлено научное обоснование применения мембранных технологий в водоснабжении на основе исследования, позволяющего определить качество очищенной воды, эксплуатационные показатели (расход воды на собственные нужды, затраты на эксплуатацию, реагенты).

Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в следующих работах автора

1. Первов А.Г., Андрианов А.П., Спицов Д.В., Козлова Ю.В. / Выбор оптимальной схемы доочистки водопроводной воды в городских зданиях с использованием мембранных установок. // Сборник тезисов и докладов Седьмого Международного Конгресса «Вода: экология и технология» - «ЭКВАТЭК-2006», Москва, 30 мая - 2 июня 2006г.

2. Первов А.Г., Андрианов А.П., Спицов Д.В., Кондратьев В.В. / Разработка новых технологий и аппаратов на основе метода нанофильтрации для систем водо- и теплоснабжения городских зданий. // «Сантехника» 3/2007, стр. 12-18.

3. Первов А.Г., Андрианов А.П., Спицов Д.В., Кондратьев В.В. / Разработка компьютерной программы для использования нанофильтрационных мембран марки CSM (SAEHAN) для получения питьевой и технической воды. // Критические технологии «Мембраны» №1 (37)/2008, стр. 9-18.

4. Спицов Д.В. / Прогноз качества питьевой воды, очищенной с помощью нанофильтрационных мембран марки CSM (SAEHAN). // Сборник докладов Одиннадцатой международной межвузовской конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности». МГСУ, Москва 15-24 апреля 2008г., стр. 212-214.

5. Spitsov D., Pervov A., Andrianov A. / Control of Operational Parameters of RO and NF Membrane Units for Drinking Water Production. // ADST2008 International Conference Desalination Technologies and Water Reuse May 10-12, 2008 Sharm-El-Sheikh, Egypt, Book of Abstracts, p.27.

6. Pervov A., Spitsov D., Andrianov A. / Treatment of natural water with UF and NF membranes: new ways to reduce fouling. // In conference proceedings: IWA Regional conference - Membrane technologies in water and waste water treatment, June 2 - 4, 2008, Moscow, Russia. p. 476-482.

7. Спицов Д.В. / Применение технологий нанофильтрации для доочистки воды из водопровода в современных зданиях. // Сборник докладов Восьмого Международного Конгресса «Вода: экология и технология» - «ЭКВАТЭК-2008», том 1, Москва, 3 - 6 июня, 2008г.

8. Спицов Д.В. / Прогноз качества питьевой воды, очищенной с помощью нанофильтрационных мембран марки CSM (SAEHAN). // Сборник докладов к научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях». ВДНХ. Москва, 25-28 июня 2008г., стр. 85-87.

9.* Первов А.Г., Андрианов А.П., Спицов Д.В., Кондратьев В.В. / Программа для технологического расчета систем нанофильтрации. // «Водоснабжение и санитарная техника» 11/2008, стр. 12-19.

10. Спицов Д.В. / Решение вопросов водоподготовки в современных зданиях с помощью мембранных установок. // Сборник докладов Двенадцатой международной межвузовской конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности». МГСУ, Москва 15-22 апреля 2009г., стр. 205-208.

11. Спицов Д.В., Первов А.Г. / Технологии нанофильтрации в современном питьевом водоснабжении, очистка природных вод и доочистка водопроводной воды. // Первая Восточноевропейская региональная конференция молодых ученых и специалистов водного сектора. Сборник научных трудов. 21-22 мая 2009г., Минск, стр. 271-277.

12.* Первов А.Г., Андрианов А.П., Спицов Д.В., Рудакова Л.В. / Новые технологии и аппараты на основе методов ультра- и нанофильтрации для систем водоснабжения и теплоснабжения. // «Водоснабжение и санитарная техника» 7/2009, стр. 12-19.

13.* Первов А.Г., Андрианов А.П., Спицов Д.В. / Мембранные методы очистки поверхностных вод. // «Водоснабжение и санитарная техника» 7/2009, стр. 29-37.

14.* Первов А.Г., Андрианов А.П., Спицов Д.В., Рудакова Л.В., Ефремов Р.В. / Водоочистные установки в контейнерном исполнении для водоснабжения вахтовых поселков. // «Водоснабжение и санитарная техника» 7/2009, стр. 40-46.

15. Первов А.Г., Андрианов А.П., Спицов Д.В. / Конструкция мембранного канала - ключ к совершенствованию технологий очистки воды. // Критические технологии. Мембраны. 2009. №4 (44), стр. 3-13.

16. Первов А.Г., Спицов Д.В., Горбунова Т.П., / Принципы разработки систем обратного осмоса с величиной выхода фильтрата до 99% для подготовки питьевой воды из подземных и поверхностных источников. // ХI Всероссийская научная конференция «Мембраны -2010».4-8 октября 2010. Программа. Тезисы докладов. Часть 2, стр. 248 - 249.

17. Первов А.Г., Спицов Д.В. Ефремов Р.В. / Выбор оптимальных типов мембран для получения питьевой воды заданного качества. // Материалы второй международной научно-практической конференции, посвященной памяти академика РАН С.В.Яковлева, 15-16 марта 2011. - М.: Издательство Леонид Будник, - Москва, 2011.-362с. стр. 177-178.

18. Pervov А., Spitsov D. / Application of membrane techniques for municipal waste water treatment and reuse. // Inzynieria Ekologiczna Nr 24, 2011. Warszawa 14.10.2011, p.107-119.

19. Первов А.Г., Андрианов А.П., Спицов Д.В., Эльпинер Л.И., Кочарян А.Г. / Предотвращение загрязнения поверхностных вод нефтепродуктами и СПАВ путем использования универсальных локальных очистных систем обратного осмоса. // Водоснабжение и канализация, 5-6/2011, стр. 54-62.

20.* Спицов Д.В. / Использование мембранных установок для улучшения качества водопроводной воды в городских зданиях. // Интернет-вестник ВолГАСУ. Сер.: Политематическая. 2011. Выпуск 4(19) [электр.].

* - публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Размещено на Allbest.ru

...