Обратноосмотический метод опреснения морской воды

Метод обратного осмоса заключается в фильтровании растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие молекулы растворителя и полностью или частично задерживающие молекулы и ионы растворенных веществ. Обратный осмос основан на прохождении соленой воды под давлением через полупроницаемую мембрану, способную при давлении выше осмотического пропускать молекулы воды. При этом гидратированные ионы растворенных в воде солей (НСОЗ, SO42-, Cl, Са2+, Mg2+, Na+, К+, Fe2+, 3+, Cu2+) и ряд других компонентов, имеющих значительно больший размер, чем пора мембраны, например молекулы органических соединений с молекулярной массой выше 150…250 Да, бактерии, вирусы задерживаются мембраной и концентрируются в рассоле по другую ее сторону. Процесс обратного осмоса обеспечивается применением обратноосмотических и нанофильтрационных мембран.

Разделение методом обратного осмоса осуществляется без фазовых превращений. Процесс является барометрическим, движущей силой процесса является разность давлений в системе и осмотического. Энергия Ат в процессе расходуется в основном на создание давления исходной жидкости и ее продавливание через мембрану:

Работа Ас на сжатие жидкости мала, и ей можно пренебречь. Работу Апр на продавливание жидкости можно найти по формуле:

.

где Р — перепад давления на мембране;

V — объем продавливаемой жидкости.

Теоретический расход энергии на обратноосмотическое разделение ближе к минимальной термодинамической работе разделения, чем затраты энергии в других процессах [31]. Обратноосмотические установки состоят из насосов высокого давления (от 50 до 100 бар) и корпусов с мембранными элементами. Основными технологическими узлами установок обратного осмоса, обеспечивающими необходимое качество получаемой воды, являются обратноосмотические фильтры — плоские или трубчатые мембраны или полое волокно, которые изготавливаются из ацетилцеллюлозы, полиамидных, полиимидных или полисульфоновых смол. Типичные размеры заводов: от 1000 м3/сутки до 100 тыс. м3/сутки.

Для заводов обратноосмотического опреснения основное различие заключается в следующем:

схема предварительной подготовки морской воды;

количество ступеней обессоливания: если завод предназначен для производства ирригационной воды, то применяется одноступенчатый метод опреснения; если продукционная вода используется для питьевых целей, то подключается вторая ступень для обеспечения соответствия требованиям ВОЗ и регионального законодательства по содержанию бора; для промышленности производится вода требуемой степени минерализации, здесь число ступеней обессоливания варьирует от 1 до 3;

тип применяемых мембран: используются специальные высокоселективные мембраны для опреснения морской воды, и здесь предпочтения отдаются обратноосмотическим мембранам нескольких ведущих производителей: Dow Water Solutions (Dow FILMTEC), Degremont, Hydranautics, Toray Industries, Inc., Toyobo;

тип устройств для рекуперации энергии и насосов (лидеры: Energy Recovery, Inc., Flowserve (Calder), Acciona Aqua, Parsons Brinckerhoff Group (одно из подразделений PB Water, PB Power).

Генеральными подрядчиками при проектировании, строительстве и наладке заводов обратноосмотического опреснения морской воды выступают GE (GE Ionics), Toray Industries, Inc., Predisa, Veolia, Aqualing Group, CH2M HILL, IDE Technologies LTD, Mitsubishi Heavy Industries. В последние годы очень успешно работает консорциум GEIDA — альянс испанских фирм Sadyt, Befesa (Abengoa) и Cobra (ACS): строительство заводов в Алжире.

На рис 7 и 8 показан пример крупного опреснительного завода, построенного по обратноосмотической технологии, в г. Ашкелон (Израиль) производительностью 320 тыс.куб.м в сутки. На заводе в г Ашкелон процесс обратноосмотического опреснения морской воды осуществляется на 32 установках, содержащих 40 тыс. мембранных элементов, установленных на 4 уровнях.

Приведем еще несколько примеров. Рассмотрим подробнее завод по опреснению морской воды, расположенный на берегу залива Tampa Bay, США [33]. Завод опреснения совмещен с электростанцией, которая потребляет для охлаждения оборудования морскую воду (рис. 9). Исходная вода поступает с ближайшей ТЭС по 4 трубопроводам (рис. 10): 2 из них питаются охлаждающей водой, объем 166 тыс. м3/сутки. По-видимому, смешиваются с отработанные морская и пресная вода, потому что поступающая на опреснение вода имеет переменное содержание солей: от 18 до 32 г/л. Узел предварительной подготовки первоначально включал ввод коагулянта — сульфата алюминия в трубу с последующей фильтрацией на двух ступенях песчаных фильтров. Если необходимо, проводится корректировка рН.

Материал — двойная нержавеющая сталь — позволяет выдержать высокое давление при прокачке теплой морской воды. Обратный осмос: 7 независимых веток, каждая снабжена подающим насосом, картриджными фильтрами, обратноосмотическими мембранами, соединенными с насосом высокого давления и турбиной для рекуперации энергии. Вертикальные насосы с турбинами мощностью 588 кВт•ч в каждой линии перекачивают воду со станции предподготовки на 5 мкм картриджные фильтры, затем на обратный осмос. Каждый обратноосмотический модуль питается водой, подаваемой насосами высокого давления мощностью 1654 кВт•ч с горизонтальным разъемным картером. Насосы снабжены частотно-регулируемыми электроприводами, позволяющими менять давление воды в диапазоне от 625 до 1050 psi (43,0…72,5 бар). Необходимость этого шага обусловлена меняющейся минерализацией исходной воды: способность изменять входное давление позволяет поддерживать требуемое качество пермеата и минимизировать расход энергии.

Каждая из 7 обратноосмотических установок обеспечивает минимальную производительность 16 тыс. м3/сутки, состоит из 168 корпусов, в каждом 8 мембранных элементов (рис. 11). Произведенный пермеат собирается в расположенный внизу коллектор — трубопровод диаметром 1 м. Концентрат с высоким давлением для рекуперации энергии возвращается через турбину (ERT) и перед сбросом смешивается с охлаждающей водой в соотношении 1:70.

Первоначально проект предусматривал строительство самого завода опреснения производительностью 95 тыс. м3/сутки, водозабора, склада химреактивов и реагентного хозяйства и трубопровода для транспортировки питьевой воды потребителю протяженностью 24 км. Стоимость проекта — $ 110 млн. Однако завод не смог обеспечить запланированную производительность (реально мощность не превышала 75,7 тыс. м3/сутки) и качество продукционной воды, отвечающее стандартам штата.

В числе основных причин несоответствия реальных и проектных показателей работы завода называют следующие:

проект был рассчитан на минерализацию исходной воды 31 г/л, однако в течение нескольких лет минерализация воды в заливе была выше;

недочеты в системе предварительной подготовки (только песчаные фильтры) привели к тому, что качество фильтрата было неудовлетворительным (SDI>5).

В результате потребовались дополнительные инвестиции в размере 85 млн. долларов США, которые были потрачены на усовершенствование системы водозабора (сетчатых фильтров), системы предподготовки (подключение фильтров с диатомитовой загрузкой) и полную замену старых обратноосмотических мембран на первой ступени опреснения на новые Dow Filmtec. В настоящее время завод функционирует удовлетворительно [Water Desalination report, 13 July 2009].

Комплекс PetroRabigh (Саудовская Аравия), включающий нефтеперегонный завод и нефтехимический комплекс, полностью перешел на обеспечение водой, производимой из морской воды методом трехступенчатого обратного осмоса [32, 34]. Сочетание обратноосмотических мембран двух типов от различных производителей обеспечивает высочайшее качество воды: содержание солей менее 10 мг/л, концентрация хлорида менее 5 мг/л, что сравнимо с качеством воды, производимой термическими методами. Опреснительный завод является частью независимого водного, парового и силового проекта (Rabigh IWSPP — independent water, steam and power project) стоимостью 8000 млн. долларов США, который был разработан консорциумом Marubeni / ACWA Power / JGC / Itochu. Для нефтехимического комплекса построены опреснительный завод производительностью 218 тыс. мі/сутки и электростанция мощностью 600 МВт. Генеральный подрядчик установок обессоливания — Mitsubishi Heavy Industries (MHI).

Завод Rabigh питается водой Красного моря (водозабор с побережья). Система предварительной подготовки включает ввод хлорного железа и фильтрацию через многослойные фильтры, что обеспечивает уровень SDI около 4. На первой ступени опреснения работают 16 установок, конверсия 43% при давлении 70 бар. Впервые были применены большие обратноосмотические половолоконные элементы диаметром 11 дюймов, длиной 80 дюймов фирмы Toyobo. Для уменьшения траектории потока и минимизации потерь давления в элементах отбор фильтрата осуществляется с двух торцов. Применение такой конфигурации обеспечивает производительность каждого мембранного элемента 70 мі/сутки. Предпочтение мембранам фирмы Toyobo отдано из-за высокой устойчивости к хлору мембран из триацетатцеллюлозы: они могут работать с концентрацией активного хлора 0,2…0,5 мг/л в течение 1…3 часов в сутки, что полностью обеспечивает защиту от биообрастания. Рекуперация энергии осуществляется турбинами Пелтона (Calder), удельное потребление энергии 4,8 кВт•/м3 [Water Defalination Report, 9 March 2009].

Оценка расходов на проектирование, конструирование, снабжение опреснительного завода Rabigh в составе вышеуказанного комплекса составила 230 млн долларов США, т. е. около $ 1000/м3/сутки [32]. Следует отметить, что в большинстве проектов обратноосмотических заводов обессоливания оценочные расходы на проектирование, конструирование, снабжение (ЕРС cost) примерно равны капитальным затратам и колеблются в районе $ 1000/м3/сутки.

Крупнейший в СНГ Мангистаусский опреснительный завод в г. Актау, Республика Казахстан, предназначенный для снабжения населения питьевой водой, начал функционировать в 2004 г. [35−38] (рис.12). Оригинальная технология мембранного опреснения для воды Каспийского моря разработана и реализована под руководством и при непосредственном участии исполнителей настоящего исследования.

При разработке технологии процесса опреснения морской воды методом обратного осмоса большое значение имеет выбор типа мембран, который определяется главным образом солесодержанием исходной воды. Для опреснения воды Каспийского моря была выбрана обратноосмотическая мембрана FILMTEC® фирмы DOW [39], которая прекрасно зарекомендовала себя в различных областях применения, включая опреснение морских и солоноватых вод.

Разработанная технология обратноосмотического опреснения морской воды включает в себя следующие стадии обработки:

• 1) очистка воды от грубодисперсных примесей (участок предварительной обработки);
• 2) очистка воды от микропримесей и ее обессоливание (участок обессоливания);
• 3) корректировка солевого состава воды до уровня международных требований к качеству питьевой воды (участок кондиционирования).