Системи за обратна осмоза на питейни и отпадъчни води

Tехнологията на обратна осмоза се използва в процеси на пречистване на води за филтриране на разтворени твърди вещества и други големи молекули. Обратната осмоза намира приложение най-често в областта на обезсоляването на морска вода, филтрирането на добавъчна вода за водонагреватели, промиването на продукти, производството на микроелектроника, лабораторните изпитвания, биотехнологиите и при други процеси, за които е необходима пречистена вода с висока степен на чистота. Предлагат се системи за обратна осмоза, които могат да пречистват от 0,11 m3/h до 90 m3/h.

Наименованието на процеса обратна осмоза говори за същността му – това е осмоза, но в обратна посока. При осмозата водата с по-ниска концентрация на твърди вещества по естествен път прониква през пореста мембрана в област, в която концентрацията на вещества във водата е по-висока, благодарение на естествено възникващо осмотично налягане.

По този начин концентрацията на разтворите от двете страни на мембраната постепенно се изравнява. Технологията на обратна осмоза подлага на налягане поток от вода с цел да бъде преодоляно естествено възникващото осмотично налягане. Замърсеният поток се пропуска през полупропусклива мембрана, от която излиза пречистена вода, оставяйки след себе си концентриран разтвор на твърди вещества.

Системите за обратна осмоза се състоят от предварителни филтри, мембрана за обратна осмоза, съдове под налягане, помпи, клапани, резервоари и отводнителен тръбопровод. Техническите характеристики на всеки компонент варират според конкретното приложение, качеството на подаваната вода и необходимото качество на пречистената вода.

Мембрана за обратна осмоза
Най-често използваните мембрани за обратна осмоза са изработени от целулозен ацетат (ЦА) и тънкослойни композитни материали (thin film composite, TFC). Обикновено използваните конфигурации на мембрани са от спирално навити или кухи влакна. Съчетанията от конфигурации и качества на мембраните оказват влияние на ефективността на системата за обратна осмоза по отношение на отстраняването на замърсителите и пропускането на максимално количество пречистена вода.

Мембраните за обратна осмоза са конструирани така, че да са устойчиви на въздействието на химически вещества и микроби; да са механично и структурно стабилни след определен експлоатационен период; и да отговарят на желаните изисквания за филтриране.

ЦА мембраните са устойчиви на окисляващи химикали като хлор, но в условията на високо налягане са податливи на уплътняване, което може да доведе до намаляване на водното количество. Тънките TFC мембрани не са устойчиви на хлор, но издържат в среди с агресивни химикали и не се влияят от високи и ниски стойности на температурата и pH на водата.

Те са по-малко податливи на уплътняване от ЦА мембраните. TFC мембраните по принцип пропускат по-големи водни количества отколкото тези от ЦА, тъй като слоевете им са изключително тънки, а това улеснява преноса на вода през тях.

В зависимост от качеството на пречистваната вода и условията на експлоатационната среда, мембраните биват сменяни, а старите изхвърляни, като това се извършва по няколко пъти през експлоатационния период на системата. По принцип TFC мембраните имат по-дълъг експлоатационен живот от ЦА-моделите, тъй за последните е характерна тенденцията да се свиват.

Две от най-често срещаните конфигурации на мембрани са със спирално навити или с кухи влакна. При конфигурацията със спирално навити влакна плоскости от мембраната се увиват около тръбата за събиране на филтрираната вода. Така се създава канал за отвеждане на подаваната и филтрираната вода.

Филтърните системи от кухи влакна представляват снопове от миниатюрни, тънки колкото косъм мембранни тръбички, разположени в съд под налягане. Филтрираната вода се събира в кухите сърцевини на влакната. В пространството извън кухите тръбички се натрупва концентрирана утайка, която се задържа от корпуса на модула.

Степен на извличане
Степента на извличане при системите за обратна осмоза е съотношението на водното количество на пречистената вода към общото водно количество. При различните системи за обратна осмоза степените на извличане варират значително в зависимост от качеството и химическия състав на подаваната вода, вида на мембраната, конфигурацията на системата и принципа, според който работи тя.

Големите системи обикновено имат степени на извличане от порядъка на 40% до 60%. Иначе казано, от всеки 40 l сурова вода, навлизащи в системата, се получават 16 до 24 l пречистена вода. При пълно оптимизиране на системите степента на извличане може да надвиши 90%. Основните фактори, които оказват влияние на степента на извличане, са замърсяването и образуването на котлен камък. Други фактори са износването на мембраните и налягането на водата в системата.

Задръстването възниква, когато частички биологични примеси се отлагат по повърхността на мембраната. Този вид замърсяване на мембраните за обратна осмоза зависи много от качеството на подаваната вода за пречистване. Замърсяването на мембраната се отразява на нейната способност да филтрира правилно водата и намалява количеството на получаващата се чиста вода.

Котленият камък е резултат от утаяването на минерални съединения от разтвори, които са станали наситени, като по повърхността на мембраната се образуват твърди отлагания. Те се отстраняват трудно и понижават общия коефициент на полезно действие на мембраната, като така се намалява общата степен на извличане на системата.

Налягането на подаваната вода е друг фактор, който влияе на системната степен на извличане. Водното количество, проникнало през мембраната, се увеличава в правопропорционална зависимост от налягането на подаваната вода, при условие че всички други фактори, като осмотичното налягане и температурата на водата, са постоянни.

Повишеното налягане на подаваната вода увеличава и степента на отстраняване на разтворените твърди вещества. Колкото по-високо е налягането на водата, т. е. колкото по-близка е стойността му до максималното проектно налягане на системата, толкова по-добри са количеството и качеството на пречистената вода. Ако налягането на подаваната вода обаче надвиши проектните граници, то може да причини преждевременно износване и компрометиране на мембраните.

Стратегии за повишаване на степента на извличане
Съществуват три основни техники за оптимизация, които могат да помогнат за повишаване степента на извличане и същевременно да намалят потреблението на вода – предварително третиране на пречистваната вода, използването на усъвършенствани мембрани, и оптимизация на водния поток.

Предварителното пречистване на водата на входа на системата за обратна осмоза може да намали замърсяването на мембраната и по този начин да повиши общата степен на извличане. Подаваната вода, в зависимост от източника й, може да съдържа суспендирани и разтворени вещества с различни концентрации – както органични, така и неорганични.

Суспендираните частици могат да се отложат по повърхността на мембраната, запушвайки тръбите за подаваната вода и повишавайки напорните загуби в цялата система. Разтворените вещества могат да се отделят като твърда фаза от разтвора и да се отложат като котлен камък. Предварително пречистената вода, навлизаща в системата за обратна осмоза, може да намали натоварването на помпата, което да доведе до понижаване на консумацията на електроенергия.

Съществуват разнообразни технологии за предварително пречистване, които могат да намалят общото съдържание на разтворени и суспендирани вещества във водата, което може да позволи на мембраната за обратна осмоза да повиши количеството на филтрираната вода. Общото въздействие на системата за предварително пречистване върху степента на извличане варира значително, в зависимост от състава на подаваната вода, вида на мембраната за обратна осмоза и практиките за управление на процеса.

Един типичен процес на предварително пречистване включва следните фази: отстраняване на едрите частици (обикновено с големина над 5 микрона) с филтър със сита или въртяща се решетка; дезинфекция за спиране на растежа на биологичните замърсители; добавяне на коагулант или флокулант за образуване на конгломерати от частици, които после да могат да бъдат филтрирани; химическо очистване за предотвратяване на образуването на котлен камък; филтър от активен въглен за отстраняване на хлора и органичните съединения; и накрая, отстраняване на суспендираните вещества чрез касетен филтър.

Съществуват няколко нови, усъвършенствани технологии за изработка на мембрани за обратна осмоза. Те спомагат за избор на оптималната мембрана според конкретния случай. Най-новите постижения в технологията за производство на мембрани позволяват повече опции за повишаване на степента на извличане и на количеството на филтрирана вода.

Тези нововъведения включват: по-големи площи на активната повърхност; по-пропускливи мембрани; спирално навити елементи с по-голям диаметър; и мембрани с висока устойчивост на замърсяване. При правилно проектиране и внедряване тези нови технологии могат да намалят консумацията на електроенергия и да повишат степента на извличане на системите.

На пазара се предлагат спирално навити мембрани с голяма активна повърхност, които повишават филтърната повърхнина на елементите, без да увеличават физическите им размери. TFC мембраните с висока пропускливост съдържат вградени наночастици, които променят структурата на филтърната повърхнина, позволявайки преминаването на повече вода при по-висока степен на задържане.

Този тип мембрани изискват по-ниски работни налягания, а това от своя страна намалява потреблението на енергия и същевременно повишава водното количество и степента на извличане. Мембраните с наночастици обикновено са малко по-скъпи от конвенционалните, но по-високата им пропускателна способност намалява експлоатационните разходи благодарение на икономията на енергия и вода.

При по-мащабните системи за обратна осмоза се използват по-големи спирално навити филтърни модули, които спомагат за значително намаляване на капиталовите разходи за оборудване за обратна осмоза и на разходите през целия период на експлоатация. Стандартният размер на спирално навитите елементи за промишлени системи за обратна осмоза е 20 cm.

Но при големите системи мембраните с диаметър 20 cm невинаги са най-оптималното решение, заради големия брой елементи, съдове под налягане, тръби, фитинги и арматури, чието количество се увеличава правопропорционално на повишения дебит на системата. При големите системи за обратна осмоза оптималният диаметър на спирално навити елементи е 40 cm, което позволява четирикратно нарастване на площта на мембраната и на производителността й в сравнение със стандартните модули.

За типична система за обезсоляване на вода, използването на 40-сантиметрови елементи може да спести около 15% от разходите за мембрани. Но икономията на разходи и повишението на производителността са специфични за всяка инсталация и трябва да бъдат оценявани за всеки конкретен случай.

Съществуват различни видове конфигурации на системите за обратна осмоза – едностепенни, двустепенни, едностъпални и двустъпални. Системите за обратна осмоза могат да съдържат от една до няколко групи съдове под налягате. Всяка група такива съдове се нарича “степен”.

В системите за обратна осмоза може да има обособени устройства, наричани “стъпала”. В случаите, когато се изисква вода с висока чистота, най-често се използват двустъпални системи, тъй като те по същество пречистват водата на два пъти в две отделни последователно свързани системи. Тези конфигурации могат да се оптимизират, което впоследствие се отразява на общата производителност на системата.