Очистка и опреснение морской воды

Опреснение морской воды - важнейшее решение проблемы нехватки пресной воды в регионах с ограниченным доступом к природным источникам пресной воды. Путем удаления из морской воды растворенных солей, минералов и примесей процессы опреснения превращают ее в питьевую воду, пригодную для питья, сельского хозяйства и промышленного применения. С развитием технологий современные системы опреснения становятся все более эффективными, устойчивыми и экономичными, что делает их важнейшим инструментом глобального управления водными ресурсами.

Опреснение воды особенно важно для засушливых регионов, прибрежных районов и островов, где спрос на пресную воду превышает предложение. Эти системы не только обеспечивают надежный источник чистой воды, но и способствуют экономическому развитию и экологической устойчивости, снижая чрезмерную зависимость от традиционных источников воды.

Области применения опреснения морской воды

1. Муниципальное водоснабжение: Обеспечивает питьевой водой городское и сельское население, особенно в регионах с дефицитом воды.
2. Промышленное применение: Поставляет высококачественную воду для таких процессов, как охлаждение, очистка и производство.
3. Сельскохозяйственная ирригация: Поддержка ирригации в засушливых районах, позволяющая применять устойчивые методы ведения сельского хозяйства.
4. Морское и оффшорное использование: Поставляет пресную воду для судов, морских платформ и удаленных прибрежных объектов.

Преимущества опреснения морской воды

Опреснение морской воды дает множество преимуществ, особенно для регионов, испытывающих нехватку воды или высокий спрос на нее. Превращая богатые ресурсы в пригодную для использования пресную воду, опреснение предлагает решения, которые позволяют решить как ближайшие, так и долгосрочные проблемы с водой:

• Надежное водоснабжение: Системы опреснения обеспечивают постоянный источник пресной воды, не зависящий от погодных условий или наличия пресной воды в природе, что делает их бесценными для районов, подверженных засухе.
• Масштабируемость: От небольших прибрежных деревень до крупных мегаполисов - опреснительные установки могут быть спроектированы для удовлетворения различных потребностей в воде, что обеспечивает гибкость и адаптивность.
• Гарантия качества: Передовые технологии опреснения производят воду, которая соответствует или превосходит строгие стандарты питьевой воды, поддерживая требования здравоохранения и безопасности.
• Устойчивость к засухам: Снижая зависимость от традиционных источников воды, опреснение повышает устойчивость к длительным засухам и нехватке воды.
• Экономический рост: Надежный доступ к воде поддерживает промышленную и сельскохозяйственную деятельность, стимулируя экономическое развитие в регионах, где нехватка воды в противном случае могла бы ограничить прогресс.

Технологические достижения в области опреснения морской воды

Современные технологии опреснения морской воды стремительно развиваются, делая процесс более эффективным, устойчивым и доступным. К ключевым инновациям относятся:

1. Передовые мембраны: Современные мембраны отличаются повышенной долговечностью, улучшенными показателями отвода солей и меньшими энергозатратами, что делает системы опреснения более эффективными и экономичными.
2. Опреснение на солнечных батареях: Использование возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, снижает зависимость от ископаемого топлива и минимизирует углеродный след опреснительных установок.
3. Гибридные системы: Сочетание обратного осмоса с термическими процессами позволяет максимизировать степень извлечения воды и снизить энергопотребление, оптимизируя общую производительность опреснительных установок.
4. Интеграция искусственного интеллекта и IoT: Мониторинг в реальном времени и предиктивная аналитика позволяют операторам обнаруживать и устранять проблемы в упреждающем режиме, обеспечивая стабильную работу системы.
5. Обратный осмос при низком давлении: Инновационные системы обратного осмоса при низком давлении обеспечивают высокую степень регенерации при значительно меньшем потреблении энергии, что снижает эксплуатационные расходы.

Проблемы и решения в области опреснения морской воды

Несмотря на свои преимущества, опреснение морской воды сталкивается с проблемами, требующими инновационных решений:

• Высокое энергопотребление: Устройства рекуперации энергии и интеграция возобновляемых источников энергии, таких как ветер или солнце, значительно снижают эксплуатационные потребности в энергии, делая опреснение более устойчивым.
• Утилизация рассола: Рассол, побочный продукт опреснения, может представлять опасность для окружающей среды при неправильном обращении с ним. Передовые системы управления рассолом, включая технологии нулевого сброса жидкости, эффективно снижают это воздействие.
• Накипь и обрастание: Технологии предварительной очистки, такие как ультрафильтрация и дозирование антискаланта, защищают опреснительные системы от накипи и обрастания, обеспечивая надежную работу и продлевая срок службы системы.

Часто задаваемые вопросы о опреснении морской воды

1. Насколько эффективны современные системы опреснения? Современные технологии, особенно обратный осмос, позволяют получить до 50 % воды при низком энергопотреблении.
2. Безопасна ли опресненная вода для питья? Да, опресненная вода соответствует международным стандартам питьевой воды при надлежащей обработке и контроле.
3. Какие экологические проблемы возникают при опреснении воды? Потребление энергии и утилизация рассола являются основными проблемами, но современные достижения позволяют эффективно решать эти вопросы.
4. Как долго служат опреснительные системы? При надлежащем обслуживании срок службы большинства систем составляет 20-30 лет.
5. Можно ли сочетать опреснение с использованием возобновляемых источников энергии? Да, системы опреснения, работающие на солнечной энергии и ветре, все чаще используются для повышения устойчивости.

Морская вода Системы опреснения и обратного осмоса

Сайт Метод обратного осмоса (RO) , основанный на на основе мембранных технологий является наиболее широко используемым методом в опреснительных установках. В основе обратного осмоса лежит принцип удаления растворенных солей и других примесей путем пропускания воды через полупроницаемую мембрану под высоким давлением. Этот метод оказался выгодным с точки зрения энергоэффективности и масштабируемости по сравнению с такими альтернативами, как термическая дистилляция, и по состоянию на 2010-е годы на него приходится около 66% мировых мощностей по опреснению воды. 2010-х годов. Современные установки обратного осмоса морской воды позволяют снизить энергопотребление потребление энергии до уровня ~3 кВт/ч на единицу объема воды благодаря рекуператорам энергии и усовершенствованным мембранам. В данном отчете подробно описаны этапы работы систем обратного осмоса в очистке морской воды, типы используемых фильтров и мембран, химические процессы и параметры, которые необходимо контролировать в процессе.

Рисунок 1: Установка обратного осмоса на опреснительном заводе Эль-Прат недалеко от Барселона, Испания. Большие зеленые трубы представляют собой подающие трубопроводы высокого давления магистрали высокого давления, а синие цилиндрические пучки на заднем плане представляют собой спирально намотанные мембраны обратного осмоса. Заводы такого масштаба могут превращать сотни тысяч кубических метров соленой воды в питьевую воду в день.

Этапы Процесс обратного осмоса

Морская вода Очистка морской воды методом обратного осмоса состоит из нескольких последовательных технологических этапов, начиная с приема исходной воды и заканчивая распределением очищенной воды. Основные этапы типичной установки обратного осмоса морской воды и функции каждого из них описаны ниже. Ниже описаны основные этапы типичной установки обратного осмоса морской воды и функции каждого из них:

Рисунок 2: Схема типичной установки обратного осмоса морской воды (Тампа-Бей, производительность 25 мгд). На этой схеме показаны все этапы от забора воды и предварительной обработки до двухступенчатых процессов с использованием мембран обратного осмоса и окончательной доочистки. После того как морская вода удаляется из установки с помощью грубых сита и отстойника, крупные и тяжелые твердые частицы удаляются и Затем ее пропускают через песчаные и кизельгуровые фильтры для удаления мелких частиц. Прошедшая через картриджные фильтры вода затем подается на мембрану обратного осмоса с помощью насосов высокого давления и отделяется от солей и превращается в продукт; концентрированный соленый концентрированный соленый поток удаляется турбиной рекуперации энергии, а очищенная очищенная вода подвергается окончательной балансировке.

1. Забор воды и первичная фильтрация

Сайт Процесс очистки морской воды начинается с забора сырой воды из моря. моря. При заборе воды из открытого моря крупные осадки и организмы , такие как листья, водоросли и древесные фрагменты, обычно улавливаются с помощью передвижной сита или грубых сита в водозаборной конструкции . Например, на объекте в Тампа-Бей такие объекты, как ракушки и ветки размером более 1/4 дюйма (>6 мм), отсеиваются на этом этапе. на этом этапе. После грубой фильтрации биологический рост можно можно контролировать путем применения химической предварительной обработки, например, низкой дозы хлора в водозаборной (для водорослей и морских организмов). Затем вода подается в в блоки предварительной обработки на заводе. Основная цель этапа забора сырой является обеспечение относительно стабильного водозабора путем удаления крупнозернистых загрязнений для защиты последующего чувствительного оборудования и мембран.

2. Предварительная очистка (коагуляция, седиментация и фильтрация)

Предварительная обработка является Критически важный этап для эффективной и долговечной работы мембран обратного осмоса. Морская вода содержит много взвешенных частиц, мутность, органические вещества и микроорганизмы. Если эти загрязнения подаются непосредственно на мембраны, они накапливаются на на поверхности мембраны и вызывают засорение (коллоидное обрастание), биологический рост (биообрастание) и образование накипи проблемы. Поэтому исходная вода должна быть максимально очищена перед поступлением в мембраны. Надежная технология предварительной обработки техника необходимым условием для успешного функционирования процесса SWRO и она направлена на минимизацию частиц, органических и биологических загрязнений на мембранах.

Сайт Первым этапом предварительной обработки обычно является химическая коагуляция и флокуляция . При добавлении в воду коагулянтов, таких как соли металлов (например, хлорид железа(III) или сульфат алюминия) и полимеров, в воду добавляются мелкие взвешенные частицы, планктон и органические вещества. частицы, планктон и органические вещества в воде коагулируются. Микроорганизмы и коллоиды соединяются вместе, образуя флокулы с этими химическими веществами. Затем вода медленно пропускается через балансировочный/седиментационный резервуар , чтобы оседания образовавшихся флокул; в ходе этого процесса тяжелые частицы оседают тяжелые частицы оседают на дно и отделяются от воды. Правильно отрегулировав химических условий (pH, доза коагулянта и т.д.), растворенные органические вещества также могут быть частично адсорбированы органические вещества также могут быть частично адсорбированы и прикреплены к флокам.

быстрый песчаные фильтры или мультимедийные фильтрующие колонны используются для удаления из воды более мелких и легких частиц. Эти фильтры содержат такие материалы, как кварцевый песок, антрацит или гранат со специальными размерами зерен. По мере того как вода фильтруется сверху вниз через фильтрующий слой, большая часть оставшихся взвешенных частиц задерживается задерживается между зернами. Мутность воды, выходящей из типичная гранулированная среда стадия фильтрации может быть снижена до ~0,1 NTU. Если отфильтрованная вода все еще содержит очень мелкие (субмикронные) коллоиды, в некоторых системах используются дополнительные вспомогательные фильтры. фильтры. Например, на объекте в Тампа-Бей используется кизельгуровый фильтр применяется после песчаного фильтра для удержания коллоидных частиц микронного размера материал микронного размера. Кизельгуровые фильтры могут отфильтровывать даже очень мелкие частицы, пропуская воду через пористую почву слой материала.

Наконец, Перед тем как попасть в мембраны обратного осмоса, вода проходит через картриджные фильтры . Картриджные фильтры представляют собой тонкие цилиндрические фильтрующие элементы с размерами пор размером, как правило, 5 микрон или меньше. Они служат для защиты мембраны, задерживая последние оставшиеся частицы осадка, которые могли которые могли вырваться из предыдущих этапов. В некотором смысле, картриджные фильтры выполняют роль предохранительные фильтры и помогают снизить индекс плотности ила (SDI) в воды на входе в мембрану ниже определенного уровня. Системы обратного осмоса морской воды обычно проектируются таким образом, чтобы SDI < 3; современные установки стремятся к SDI < 2. Например, усовершенствованная последовательность предварительной обработки (коагуляция + растворенный воздух флотация + фильтрация) может снизить мутность исходной воды с 5-20 NTU до <0,25 NTU и SDI ~1,5. Более низкий показатель SDI позволяет мембранам противостоять обрастанию в течение более длительных периодов времени и работать с первоначальной проектной производительность.

Примечание: В качестве альтернативы классической предварительной очистке с помощью песчаных фильтров широко используются мембраны низкого давления мембранная предварительная очистка низкого давления получила широкое распространение на В последние годы на многих предприятиях получили широкое распространение мембранные системы предварительной очистки низкого давления. Микрофильтрация (MF) или ультрафильтрационные (UF) мембраны могут заменить песчаные фильтры в сложных исходных водах, таких как морская вода. Этот тип предварительной обработки снижает мутность и значения SDI в воде до гораздо более низких уровней (SDI < 2 или даже < 1) и обеспечивает практически полностью прозрачную воду для мембраны обратного осмоса. При предварительной обработке UF/MF легче обеспечить стабильную работу установки обратного осмоса особенно в прибрежных водах с цветением водорослей или колебаниями мутности. Однако предварительная обработка с помощью мембран также имеет свои требования к обслуживанию, например, необходимость химической очистки; Выбор метода зависит от качества исходной воды и условий эксплуатации.

A Хорошо спроектированная и эксплуатируемая предварительная обработка подготавливает сырье для обратного осмоса до целевых значений, таких как мутность <0,5 NTU и SDI <3 . Это минимизирует накопление обрастаний и биологической пленки на мембранах, снижает частоту химической очистки и снижает общие эксплуатационные расходы.

3. Насос высокого давления и рекуперация энергии

Сайт Прозрачная морская вода с относительно низким содержанием частиц, прошедшая предварительную обработку предварительной очистки, теперь готова к опреснению через мембраны обратного осмоса. мембраны обратного осмоса. Однако для того, чтобы преодолеть осмотический баланс и заставить молекулы воды пройти через мембрану, необходимо высокое давление чтобы преодолеть осмотический баланс и заставить молекулы воды пройти через мембрану, необходимо высокое давление. Для этого используются насосы высокого насосы высокого давления Для этого используются насосы высокого давления. Типичная система обратного осмоса морской воды требует рабочего давление в диапазоне примерно 60-70 бар . В литературе приводятся такие значения, как 69-80 бар для для обычных насосов SWRO. На практике используются давления от 55 до 80 бар. бар, в зависимости от солености исходной воды и желаемой скорости регенерации. желаемой скорости регенерации. Например, для морской воды с соленостью 35 000 мг/л (3,5% соли), давление ~65-70 бар может быть достаточным для удаления половины воды в виде пресной воды (приблизительно 45-50%). восстановление). Давление увеличивается, если требуется более высокая соленость или более высокая если требуется более высокая соленость или более высокая степень извлечения.

Сайт Вода, выходящая из насоса высокого давления, подается на мембранные модули, расположенные последовательно внутри стальных мембранных корпусов (сосудов под давлением). сосуды). Во время прохождения питательной воды через мембранные элементы от точки входа в эти сосуды, часть воды фильтруется фильтруется через мембраны и попадает в сборную трубу (пермеатную трубку) внутри под действием давления. Таким образом, получается пресная вода, в то время как соли и другой ретентат остаются на на входной стороне мембран и конденсируются во время потока. Каждый напорный резервуар обычно вмещает 5-8 спирально навитых мембранных элементов ; Концентрация солей увеличивается по мере продвижения воды от первого элемента к последнему. концентрация соли увеличивается по мере продвижения воды от первого элемента к последнему. По этой причине системы обычно проектируются в несколько ступеней : Концентрат (оставшаяся соленая вода) на первой ступени используется в качестве в качестве сырья для следующей ступени, что повышает регенерацию воды.

Сайт Процесс обратного осмоса - это энергоемкий процесс. Большая часть давления, создаваемого водой, остается в концентрированном потоке, и если эта энергия расходуется впустую, эксплуатационные расходы возрастают. Чтобы предотвратить это, энергетические устройства рекуперации энергии (ERD) в современных установках обратного осмоса. Концентрированный поток проходит через эти устройства, когда он выходит из системы под высоким давлением, и передает свою энергию вновь поступающей питательной воде. Например, ERD (изобарические устройства) типа изобарические устройства типа камеры обмена давления или гидравлические турбины, такие как турбина Пелтона может рекуперировать ~90% давления концентрированного потока. Таким образом потребность в энергии насоса высокого давления значительно снижается. Сегодня, благодаря высококачественным установкам ERD, энергопотребление потребление энергии при обратном осмосе морской воды сократилось до примерно 3 кВт-ч/м³, что очень близко к теоретическому минимуму . Этот прогресс поразителен, если учесть, что установки обратного осмоса 20-30 лет назад потребляли 5-8 кВт-ч/м³. В Одним словом, насосы высокого давления и оборудование для рекуперации энергии работают вместе, чтобы сформировать источник энергии и повышающее эффективность ядро процесса обратного осмоса .

4. Мембранная ступень обратного осмоса

Сайт Сердцем системы обратного осмоса являются мембранные модули . Почти во всех современных установках для опреснения морской воды используются тонкопленочные композитные (TFC) полиимидные/полиамидные мембраны . Эти мембраны состоят из очень тонкого (<0,5 мкм) полиамидного разделительного слоя на микропористом поддерживающем слое (обычно полисульфоне). Диаметр пор полиамидных мембран находится в ангстремном диапазоне (~0,0001 мкм), что позволяет молекулам воды проходить через них, но при этом непроницаемые для растворенных ионов солей и более крупных загрязнителей. Согласно данным завода Tampa Bay, размер пор используемых мембран обратного осмоса составляет приблизительно 0,001 микрон , или 100 тысячных долей человеческого волоса. Таким образом, такие ионы, как натрий и хлорид, задерживаются на уровне 99%+, в то время как молекулы H₂O молекулы могут проходить через него.

Мембраны Мембраны обычно упаковываются в спирально-навитые модули . В спирально-навитом элементе обратного осмоса плоские мембраны и сетки разделителей проточных каналов сепараторные сетки намотаны вокруг центральной трубки. Каждая мембрана приклеена с трех сторон, а остальные края соединены с центральной трубкой. Когда исходная вода проходит через каналы между мембранными створками под высоким давлением, часть воды вода проходит через оболочки и попадает в центр (пермеатная трубка); оставшаяся вода поступает на выход элемента. трубка); оставшаяся вода поступает на выход элемента в виде более соленого концентрата. На схеме на рис. 2 показан этот процесс в две стадии (1-й и 2-й проходы обратного осмоса). Хотя однопроходная система обычно достаточна для очистки морской воды, в в некоторых случаях двухпроходной обратный осмос может быть использован для улучшения качества воды. Пермеатная вода из подается на второй блок обратного осмоса для дальнейшего снижения содержания солей (например, для получения воды с очень низкой электропроводностью, <50 мг/л). На сайте таких объектах питьевого водоснабжения, как Тампа-Бэй, одного прохода обычно достаточно для соблюдения требуемых стандартов воды (менее 500 мг/л TDS); однако в промышленных установках для получения сверхчистой воды обычно используется двойной проход. Однако в промышленных установках для сверхчистой воды обычно используется двойной проход.

Сайт степень удержания солей Мембраны обратного осмоса обычно превышают 99%. Например. типичная мембрана для морской воды может получить <0,5 г/л (500 мг/л) продукта продукта из сырья с соленостью 35 г/л. Два основных показателя производительности мембраны являются два основных показателя: поток пермеата поток (скорость производства) и соль скорость отвода солей . Эти показатели зависят от таких параметров, как давление, температура и соленость сырья. При высоком давлении поток воды через мембрану увеличивается, а соленость пермеата уменьшается (проницаемость солей снижается). При повышении температуры воды, поток увеличивается, поскольку вязкость уменьшается, но тенденция к просачиванию ионов соли через ионов соли через мембрану также несколько возрастает. Детальное влияние этих будет рассмотрено в следующих разделах.

Морская вода Мембраны обратного осмоса Благодаря своему материалу они чувствительны к хлору и окислителям . Поскольку полиамидный слой может быть быстро окислен и поврежден свободным хлором, дезинфицирующие вещества, такие как хлор, используемые для предварительной обработки, полностью удаляются перед поступлением в мембраны обратного осмоса. полностью удаляются перед попаданием в мембраны обратного осмоса. Для этого для этого используются восстановительные реагенты, такие как натрий бисульфит натрия (NaHSO₃) дозируются в исходную воду перед мембраной для нейтрализации остаточного хлора. В качестве альтернативы в некоторых системах применяется дезинфекция с помощью хлорамином . вместо хлорирования, которое меньше повреждает полиамид; однако, как правило, это нежелательно, и в большинстве систем SWRO системах применяется биологический контроль в виде кратковременного хлорирование + полное дехлорирование при предварительной обработке. Хотя целлюлоза ацетат мембраны использовались в качестве мембранных материалов в прошлом, сегодня они не являются сегодня они не являются предпочтительными, поскольку имеют более низкие показатели солеотделения и потока Кроме того, целлюлозные мембраны сложны в эксплуатации. поскольку они требуют постоянного хлорирования. В результате почти все почти все мембранные элементы в современных установках обратного осмоса имеют полиамидный тип TFC а их эксплуатация осуществляется с учетом их чувствительности.

Регулярный Регулярный мониторинг и техническое обслуживание также необходимы для достижения желаемой эффективности мембран обратного осмоса. Со временем отложения может на поверхности мембран: В случаях, когда предварительная обработка недостаточной предварительной обработки, коллоидный алеврит, биопленка или неорганические отложения (например, чешуйки CaCO₃, CaSO₄) покрывают мембраны, снижая поток и ухудшая качество сточных вод качество. В этом случае установки обратного осмоса периодически подвергаются химическая очистке (CIP: Cleaning in Place) . Специальные моющие растворы, содержащие кислоты, щелочи или дезинфицирующие средства циркулируют через мембранные модули, чтобы растворить накопившуюся грязь. Хотя производители мембран обычно рекомендуют проводить CIP каждые 3-6 месяцев , идеальным вариантом является проведение очистки , когда индикаторы загрязнения превышают определенные пороговые значения (эти эти показатели рассматриваются в разделе параметров в следующем разделе). Например, некоторые производители рекомендуют начинать химическую очистку, когда когда скорость потока пермеата снижается на 10 % или проницаемость соли увеличивается на 5-10% . Регулярный CIP может в значительной степени восстановить производительность мембраны, но в случаях сильного загрязнения/накипи может потребоваться замена мембраны. Поэтому постоянный мониторинг работы и профилактические чистки имеют решающее значение.

5. Постобработка (стабилизация и дезинфекция воды в продукте)

Сайт пермеат (продуктовая вода) из Пермеат (продуктовая вода) из установки обратного осмоса - это, по сути, чистая вода, прошедшая в значительной степени опресненная. Типичный пермеат морской воды может быть коррозийным и иметь неприятный вкус при непосредственном использовании в качестве питьевой воды, поскольку в ней содержится очень мало общих минералов. поскольку содержит очень мало минералов . Поэтому сточные воды, полученные методом обратного осмоса, обычно подвергаются серии после обработки для стабилизации и приведения в соответствие со стандартами. стандартам.

Первый Прежде всего, некоторые газы, которые не удаляются в процессе обратного осмоса (такие как CO₂) могут остаться в воде и сделать ее кислой. воду кислой. pH пермеатной воды обычно слегка 5,5-6,5 (поскольку бикарбонаты, содержащиеся в исходной воде, преобразуются в CO₂). преобразуются в газ CO₂). Эта кислая вода может растворять металлы в линиях электропередач. Нейтрализация и добавление минералов для предотвращения этого и обеспечения минерального баланса воды. На сайте Наиболее распространенный метод - пропустить воду через слой известняка (кальцита) . Этот слой, содержащий минералы карбоната кальция, повышает pH воды и добавляет такие ионы, как Ca_{2+ и HCO3^-, делая воду более сбалансированной и щелочной . В качестве альтернативы жесткость и щелочность можно регулировать аналогичным образом аналогичным образом, дозируя известь (Ca(OH)2) или кальцинированную соду (Na2CO3). Цель состоит в том, чтобы достичь рекомендуемого диапазона pH 7-8 и определенного уровня жесткости для питьевой воды.}

В Кроме того, вода в продукте обычно дезинфицируется в конечной точке . Поскольку мембраны в значительной степени задерживают бактерии и вирусы, пермеат является микробиологически достаточно чистым; однако, поскольку существует риск повторного загрязнения при транспортировке и хранении, низкие дозы существует риск повторного загрязнения во время транспортировки и хранения, хлорирование малыми дозами хлора хлорирование хлором или хлорамином является используется для обеспечения биологической безопасности воды в распределительной сети. В некоторых системах также может использоваться ультрафиолетовое обеззараживание, но поскольку оно не обеспечивает остаточной защиты, обычно предпочитают перекачивать некоторое количество хлора. Было заявлено, что балансирующие химикаты добавляются в воду после обратного осмоса на предприятии в Тампа-Бей, и полученная высококачественная вода направляется в региональную систему. полученная высококачественная вода направляется в региональную сеть и смешивается с другими очищенными водами. После смешивания и окончательной смешивания и окончательной корректировки получается конечная вода, соответствующая всем параметрам, предусмотренным питьевой воды.

Еще один Другим аспектом доочистки является утилизация сточных вод (концентрат) . В процессе обратного осмоса определенный процент исходной воды преобразуется в пресную воду (коэффициент извлечения обычно составляет 35-50%), а остальная часть выходит в виде более соленого концентрированного потока. Этот солевой концентрат обычно сбрасывается обратно в море или окружающую среду. Однако, поскольку прямой сброс может вызвать экологические проблемы, разбавление или обычно используется метод разбавления или контролируемого сброса. Например. концентрат, сбрасываемый с завода в Тампа-Бей, смешивается с охлаждающей водой соседней теплоэлектростанции и сбрасывается в море, чтобы концентрация соли не повышалась внезапно в принимающей среде. На многих заводах сброс осуществляется через диффузорные трубы на морском дне, и концентрат быстро быстро разбавляется в большом объеме. Примерная соленость соленость потока концентрата примерно в два раза выше, чем у морской воды, в которую он подается (например. 35 г/л сырья с 45%-ным извлечением → ~65 г/л концентрата). Этот поток обычно выходит с немного повышенной температурой (процесс перекачки вызывает нагрев процесс перекачки вызывает нагрев). По этой причине проводится оценка воздействия на окружающую среду Поэтому проводится оценка воздействия на окружающую среду и выбирается наиболее подходящий метод сброса выбирается наиболее подходящий метод сброса.

Наконец, В процессе последующей обработки очищенная вода обычно поступает в резервуар для технической воды на объекте и из которого перекачивается в сеть. Если вода для производства продукта должна быть смешана с водой из разных источников (смешивание), ее смешивают в соответствующем соотношении соответствующем соотношении. Готовая питьевая вода, прошедшая все процессы балансировки и дезинфекции, готова к распределению.

Параметры Измеряемые и контролируемые в процессе

На сайте Для эффективной и безопасной работы систем обратного осмоса, некоторые критические рабочие параметры должны постоянно отслеживаться и контролироваться . Эти параметры важны как для мониторинга производительности системы и для раннего вмешательства в потенциальные проблемы. Основные величины измеряемые в процессах обратного осмоса морской воды, и их интерпретация приведены ниже. объяснены ниже:

• Давление (Давление подачи, концентрата, перепада): Давление подачи на на выходе из насоса высокого давления является силой, действующей на мембраны и обычно составляет десятки бар для SWRO. Некоторое количество падение давления происходит через каждый напорный резервуар; разница между входом и выходом контролируется как перепад давления (ΔP) . В нормальных условиях перепад давления составляет несколько бар. на мембранах первой ступени системы обратного осмоса. Если ΔP увеличивается со временем, это может указывать на то, что мембраны или разделительные сети загрязнены и заблокированы. Например, увеличение на 15 % первой ступени ΔP обычно считается сигналом тревоги, связанным с техническим обслуживанием/очисткой. Операторы контролируют ΔP для каждой ступени отдельно, чтобы определить, где начинается засорение начинается. Аномально высокое давление подачи также является признаком засорение мембраны или отказ насоса. Давление на выходе концентрата контролируется для определения производительности блока рекуперации энергии. В оптимальном работе большая часть давления концентрата передается в ERD и не расходуется впустую.

Поток Скорость потока и скорость восстановления: На сайте В системе существует три основных потока: Поток поток , пермеат поток и концентрат поток . Взаимосвязь между ними выражается через коэффициент извлечения :  Восстановление (%)=Подача потокПермеат поток ×100. Коэффициент восстановления обычно выбирается в диапазоне 35-50 % в системах с морской водой. Высокая регенерация означает меньшее количество сточных вод, но это также приводит к увеличению концентрации солей в питании и повышается риск образования накипи. С увеличением степени восстановления эффект осмотического давления на мембрану увеличивается; после определенного момента чистый поток воды может после определенного момента чистый поток воды может остановиться. Поэтому чрезмерно высокая степень восстановления не не является целью. В процессе эксплуатации изменение расхода пермеата по сравнению с В эксплуатации изменение расхода пермеата по сравнению с проектными значениями является критическим показателем. A снижение потока пермеата может указывать на то, что мембраны начинают загрязняться или что производительность насоса снижается производительность насоса. Производители мембран рекомендуют проводить очистку при снижении потока на 10 % по сравнению с первоначальным значением. Аналогично, аномально низкая скорость потока пермеата может указывать на проблему с питательным насосом или клапанами, поэтому регулярная калибровка и мониторинг всех расходомеров.

• Соленость, Проводимость и TDS: концентрация солей (TDS, в мг/л) или электропроводность (мкСм/см) исходной воды и измеряются постоянно или периодически. Электропроводность является косвенный показатель количества растворенных ионов в воде и используется для контроля эффективности обратного осмоса. Сайт эффективность удаления солей мембранами можно можно рассчитать по формуле:  Соль Removal(%)=(1-Feed TDSPermeate TDS)×100. Новая и чистая мембрана SWRO обычно обеспечивает удаление солей на 99 % и более. Например, если 200 мг/л пермеата отбирается из 35 000 мг/л сырья, это означает 99,4 % удаления. Если проводимость пермеата начинает увеличиваться на на заводе, производительность мембран может снижаться. Это может произойти, когда некоторые ионы начинают просачиваться из-за повреждения хлором повреждения (окисление активного окисление активного слоя) или обрастания в мембранах . В частности внезапное и резкое увеличение проводимости может указывать на разрыв мембраны или негерметичность уплотнительного кольца, что может указывать на подмешивание сырой воды - в этом случае необходимо проверить компоненты в В таком случае следует проверить компоненты соответствующего сосуда под давлением. Медленное увеличение проводимости с течением времени обычно указывает на то, что поверхность мембраны загрязнена, а эффективная площадь пор уменьшена, что означает, что уменьшается скорость удержания соли. В соответствии с рекомендациями производителя рекомендации, увеличение проводимости пермеата на 5-10 % (или проницаемости соли) указывает на то, что пришло время очистки. Соль Проницаемость по соли может также немного увеличиться со старением мембран, но обычно это происходит очень медленно; быстрые изменения указывают на проблему проблемах. Следовательно, проводимость питательной и продуктовой воды следует контролировать и регистрировать с помощью онлайн-датчиков.
• pH и химическое состояние: pH питательной воды и пермеата важен как для химического контроля процесса и для образования скалентов. pH питательной воды обычно немного снижается в зависимости от стратегии дозирования антискаланта (например, естественный pH морской воды составляет 8,2, но для чтобы уменьшить вероятность образования накипи, ее можно понизить примерно до pH 7 с помощью минеральной кислоты). Таким образом, pH воды, поступающей в насос постоянно измеряется и поддерживается в требуемом диапазоне. Увеличение pH на повышение pH может означать выход из строя или химическое истощение дозирующих насосов и повышает риск образования карбоната кальция осадка. И наоборот, чрезмерно низкий уровень pH нежелателен, поскольку он поскольку это может ускорить коррозию. Также контролируется pH пермеатной воды. контролируется; если он слишком низкий, это может свидетельствовать о недостаточной нейтрализации Датчики рН также обеспечивают критическую обратную связь в процессах очистки мембран (кислота/база). в процессах очистки мембран (циркуляция кислоты/щелочи во время CIP).
• Ил Индекс плотности (SDI) и мутность: На сайте Наиболее важными показателями качества предварительной очистки являются SDI и мутность измерения. SDI - это индекс, основанный на времени засорения конкретной фильтровальной бумаги. бумаги и численно выражает потенциал коллоидного обрастания воды. Стандарты, как правило, требуют SDI < 5 для воды, подаваемой на обратный осмос; SDI < 3 для сложных применений, таких как морская вода, а SDI < 2 указывает на очень хорошую предварительную обработку. Испытания SDI проводятся через определенные промежутки времени (например, ежедневно) для проверки эффективности предварительной обработки. предварительной обработки. Если значение SDI необычно высокое, значит, существует проблема в системе фильтрации (например, разрыв фильтра, ошибка дозировки коагулянта) и требуется немедленное вмешательство. ) и требуется немедленное вмешательство, поскольку высокое значение SDI может привести к быстрому засорению мембран. Мутность (NTU) - это параметр, который можно отслеживать в режиме реального времени; мутность на входе в систему обратного осмоса обычно поддерживается на уровне менее 0,2-0,5 NTU. Онлайн-измерители мутности подают сигнал сигнал тревоги при внезапном ухудшении качества воды (например, при цветении планктона или выпадении осадка). цветение планктона или миграция осадка). Таким образом, операторы могут принять меры предосторожности, такие как замедление или остановка системы и обратную промывку фильтров при повышении мутности. Одним словом, SDI и NTU - это индикаторы здоровья системы предварительной очистки; постоянный низкий уровень мутности гарантирует долгий срок службы мембран. Постоянное поддержание низкого уровня гарантирует долгий срок службы мембран.
• Температура: Вода Температура воды является важным фактором, влияющим на работу мембраны. Более теплая вода повышает проницаемость мембраны, тем самым увеличивая поток, но также может в некоторой степени увеличить миграцию солей. И наоборот, когда температура морской воды снижается в холодные зимние месяцы, поток пермеата скорость потока пермеата, полученного при том же давлении, уменьшается. Поэтому крупные сооружения проектируются с учетом сезонных изменений температуры воды Для того чтобы компенсировать снижение потока зимой может потребоваться либо немного увеличить давление либо немного увеличить давление, либо ввести в эксплуатацию дополнительные мембранные элементы. Температура, как правило, не является контролируемым параметром (поскольку температура морской воды является фактором окружающей среды); тем не менее, важно важно измерять ее и нормализовать данные о производительности в зависимости от температуры. Например, на сайте например, производители мембран дают гарантию производительности при 25°C; мы можем понять реальное состояние мембраны, нормализовав эффективность, полученную при температуре воды 15°C в установке, на 25°C. Для Для этого мгновенная температура регистрируется с помощью цифровых датчиков температуры в системе и сравниваются другие параметры соответственно.
• Хлор/ORP: Если хлор добавляется для контроля биологического роста во время предварительной обработки, хлор должен быть полностью нейтрализован прежде чем попасть на вход обратного осмоса. Поэтому может потребоваться выполнить измерение содержания хлора измерение (или ОВП: измерение потенциала восстановления окисления) непосредственно перед мембраной. Уровень свободного хлора должен составлять 0,0 мг/л. Если даже следовые хлор обнаруживается в ходе измерений, то эту ситуацию необходимо немедленно исправить (увеличить дозу восстановительного реагента или уменьшить хлорирование). химиката или уменьшить хлорирование); в противном случае может произойти необратимое повреждение В противном случае может произойти необратимое повреждение мембран. Датчики ОВП позволяют быстро определить о наличии остатков хлора, мгновенно контролируя уровень окисления воды. Этот параметр особенно часто используется для проверки правильности работы баланса дозирования/нейтрализации хлора правильно.

много можно собрать гораздо больше данных в зависимости от в зависимости от конструкции и работы системы (например, проводимость на каждом выходе на выходе из резервуара под давлением, разность давлений на входе и выходе каждого фильтра, пропускание ультрафиолетового излучения, если имеется система УФ-дезинфекции, и т. д.). Однако такие величины, как давление, поток, электропроводность, pH, SDI/турбидность - это показатели, за которыми внимательно следит каждый оператор системы обратного осмоса. Эти данные обычно непрерывно регистрируются системой SCADA, а анализ тенденций анализы выполняется. Мониторинг тенденций производительности позволяет предвидеть, когда когда потребуется очистка мембран или возникнут проблемы в процессе предварительной обработке. Например, если оператор приступает к техническому обслуживанию только тогда. когда в системе возникает проблема, то, как сообщается, в мембранах могут наблюдаться невозвратные каналы могут наблюдаться в мембранах, когда очистка только при повышении ΔP до 40-50 фунтов на квадратный дюйм (3-4 бар). Поэтому проактивный мониторинг и Поэтому упреждающий мониторинг и ранние меры являются ключевыми для эффективной работы установок обратного осмоса.

На сайте В следующей таблице приведены краткие значения некоторых важных параметров обычно контролируемых в процессе обратного осмоса морской воды:

На сайте Приведенные выше значения обычно считаются типичными диапазонами для систем обратного осмоса с морской водой систем обратного осмоса. Каждый объект может иметь свои собственные проектные параметры и цели, поэтому "нормальные" значения могут отличаться в зависимости от проекта. от проекта к проекту. Главное - определить базовые значения для вашей собственной системы в процессе эксплуатации и проследить и следовать за тенденцией соответственно . Например, значения давления, потока и проводимости, зарегистрированные во время первой операции с новыми чистыми мембранами, служат в качестве эталоном с течением времени. При превышении определенного порога отклонения операторы получают сигнал тревоги, и в действие вступают планы вмешательства. в действие. Благодаря такому подходу мелкие проблемы решаются до того, как они крупные, срок службы мембраны увеличивается до максимума, а качество воды в продукте постоянно поддерживается на должном уровне.

Заключение и оценка

Обратный Технология обратного осмоса при опреснении морской воды представляет собой комплексный процесс включающий в себя предварительной обработки до мембранной фильтрации под высоким давлением и окончательного регулирования качества воды. регулирование качества. Каждый этап определяет общую эффективность Каждый этап определяет общую эффективность системы, подготавливая соответствующие условия для следующего. Фильтры грубой очистки и предварительная очистка обеспечивают условия входной воды, защищая мембраны; спиральные спирально намотанные полиамидные мембраны отделяют отделяют воду от солей под давлением; последующая обработка уравновешивает Полученную чистую воду уравновешивают и подготавливают к использованию. Мониторинг критических параметров, таких как давление, скорость потока, электропроводность, pH, SDI на протяжении всего этого процесса . жизненно важен для поддержания производительности системы.

Академические Научные и промышленные исследования показывают, что надежность предварительной обработки и регулярный оперативный контроль для успешной работы SWRO. Как отмечают Валавала и др, очень важно использовать надежные методы предварительной обработки (коагуляция+фильтрация или UF/MF) в процессах SWRO из-за из-за риска обрастания мембран.

Опять же, благодаря использованию устройств рекуперации энергии в современных установках, затраты на энергию значительно сократились, а получение пресной воды из морской воды стало более устойчивым. Технология обратного осмоса Технология мембран обратного осмоса также развивалась на протяжении многих лет и была усовершенствована для достижения высокой эффективности при низком давлении. Например, тонкопленочные композитные мембраны обеспечивают питьевой водой миллионы Сегодня тонкопленочные композитные мембраны обеспечивают питьевой водой миллионы людей, отбрасывая соли более чем на 99% и обеспечивая высокий поток пермеата потоков. В результате системы обратного осмоса для очистки морской воды обеспечивают надежный и непрерывный источник пресной воды при правильном проектировании и правильной эксплуатации. Освоение деталей каждой стадии, обсуждаемой в данном отчете, имеет решающее значение для инженеров и операторов для обеспечения эффективной работы системы. При правильной предварительной обработке, соответствующем выборе мембраны, эффективном контроле процесса контроля и регулярного технического обслуживания, установки обратного осмоса могут стабильно работать годами и успешно установки обратного осмоса могут стабильно работать в течение многих лет и успешно преобразовывать морскую воду в питьевую. Таким образом, морская вода может рассматриваться как неисчерпаемым резервуаром для населения, проживающего в регионах или на островах, где водные ресурсы ограничены. Наукоемкость но практическая применимость обратного осмоса делает его стратегической стратегической технологией водоснабжения для сегодняшнего и будущих поколений.

Источники: Информация и данные были собраны из различных научных публикаций, технических отчетов и отраслевых руководств. Например, Valavala et al. (2011) приводится сравнение методов предварительной очистки методом обратного осмоса, а в отчете Tampa Bay В отчетах Управления по водоснабжению Тампа-Бэй приводится технологическая схема и эксплуатационные данные для реальной установки SWRO. Параметры работы мембраны были собраны из технических источников, таких как Lenntech, а практическая информация по интерпретации эксплуатационных показателей была получена из публикаций экспертов отрасли, таких как Chemtreat. Этот комплексный подход направлен на то, чтобы предоставить всеобъемлющий обзор процессов обратного осмоса морской воды процессов обратного осмоса морской воды, сочетая как теоретическую базу, так и практический опыт.