В предыдущих постах мы рассмотрели основную проблему, возникающую при обессоливании воды обратным осмосом, – образование кристаллических осадков малорастворимых солей и причины его вызывающие. Но помимо кристаллических отложений в мембранных аппаратах находят и другие виды загрязнений: осадки коллоидных и взвешенных частиц, органические отложения, отложения оксидов и гидроксидов железа, марганца, алюминия, силикаты, биопленку. Все они в той или иной мере ухудшают показатели работы мембранной установки и требуют затрат на предотвращение их образования и/или на борьбу с последствиями отложений на мембранах.
Преобладающий вид отложений на обратноосмотических мембранах зависит от источника исходной воды: подземная, поверхностная, водопроводная, оборотная или сточная вода. Для поверхностных источников характерны отложения взвешенных и коллоидных (глинистых) частиц, а также отложения природных органических веществ – гуминовых соединений. Первые образуют довольно рыхлый осадок, сопротивление которого несравнимо ниже сопротивления мембраны, однако наличие слоя частиц на поверхности мембраны существенно ухудшает здесь условия перемешивания, что усиливает развитие концентрационной поляризации. В то же время до установки обратного осмоса обычно доходят самые мельчайшие частицы, прошедшие через все ступени предварительной подготовки и картриджные фильтры, поэтому такой осадок будет несоизмеримо плотнее, чем если бы на мембраны поступала «грязная» вода. Органические же отложения образуют на мембране гелевый слой, обычно более плотный, чем слой взвешенных частиц.
Для водопроводной воды или для поверхностной воды после традиционной обработки коагулянтами характерным осадком, например, будет коллоидный осадок гидроокиси алюминия, формирующийся из остаточного количества алюминия, присутствующего в обработанной воде.
При обработке подземных вод, содержащих железо или марганец, могут откладываться оксиды этих металлов, образуя тонкий слой, крепко связанный с поверхностью мембраны и снижающий ее производительность и селективность. При наличии в воде большого содержания кремния его оксид также образует осадок на мембранах.
Наконец, один из коварных осадков, обнаруживаемых в мембранных аппаратах, – это биологические отложения. Микроорганизмы, фито- и зоопланктон могут механически задерживаться в мембранном аппарате при очистке поверхностных вод, но наиболее часто биопленка самостоятельно развивается в мембранных элементах. Этому способствует целый ряд факторов: отсутствие биоцидов в воде (хлор или озон нежелателен для мембраны, так как вызывает ее деградацию), развитая поверхность в мембранном элементе и наличие питательных веществ, удержанных мембраной из обрабатываемой воды.
Биопленка наиболее тяжело удаляется из мембранного аппарата, полностью смыть ее не удается, и при благоприятных условиях она быстро вырастает заново. Образуя плотный гелеобразный слой на поверхности мембраны и на турбулизаторной сетке, она значительно ухудшает параметры работы обратноосмотической установки.
Все осадки не только снижают производительность и селективность обратноосмотических мембран за счет увеличения гидравлического сопротивления по пути проникновения воды через мембрану и за счет развития концентрационной поляризации. Они также увеличивают гидравлическое сопротивление потоку исходной воды, движущемуся через рулонный элемент. Из-за этого приходится увеличивать давление исходной воды или мириться с тем, что в последних (по ходу движения воды) мембранных элементах рабочее давление будет значительно ниже расчетного. Кроме того, из-за увеличенного продольного сопротивления мембранные элементы подвергаются т.н. телескопингу, т.е. давлением воды центральная часть выдавливается и смещается по оси с нарушением конструкции рулонного элемента, или же сетка-турбулизатор выдавливается из напорных каналов.
При ошибках в конструировании и монтаже мембранных установок возможно возникновение и других проблем: нарушение герметичности с проникновением исходной воды в фильтрат, паразитные транзитные потоки через корпус мембранных аппаратов при неплотном прилегании кольцевых уплотнений, разрушение мембранных элементов из-за резких перепадов давления.
Для защиты обратноосмотических мембран от загрязнения были сформулированы рекомендации к качеству воды, подаваемой на установки обратного осмоса, ограничивающие концентрации железа, марганца, алюминия (не более 0,1 мг/л), взвешенных и коллоидных частиц (индекс плотности ила SDI – не более 3-5). Для предотвращения развития биоотложений воду предварительно обеззараживают, а мембранные аппараты при длительных простоях установки консервируют.
Чтобы защитить мембрану от термической и химической деградации, температуру воды ограничивают 45°С, величину рН держат в пределах от 2 до 11 (при химической мойке – от 1 до 13), а содержание свободного хлора должно быть не более 0,1 мг/л.
Большое значение имеет предварительная подготовка воды. При необходимости она может включать осветление и обесцвечивание воды (коагуляция, отстаивание, фильтрование), обеззараживание и глубокое удаление органических (фильтрование на активированном угле) и коллоидных примесей (микро- и ультрафильтрация).
Поскольку основную проблему составляют кристаллические отложения солей жесткости, то для предотвращения их появления применяют подкисление и дозирование ингибиторов, а для вод с высокой жесткостью – еще и предварительное умягчение (известкование, ионный обмен). Дозирование ингибиторов (антискалантов) получило наибольшеераспространение, и в настоящее время существует огромное количество ингибиторов солеотложений, среди которых широко известны гексаметафосфат натрия, фосфонаты, полиакрилаты и другие органические соединения, например, производные полиаспаргиновой, полиэпоксиянтарной и полималеиновой кислот.
При любой предочистке полностью избежать образования загрязнений на мембранах невозможно. Рано или поздно возникает необходимость проводить химическую регенерацию мембранных элементов (мойку). Обычно критериями вывода на мойку служат снижение производительности, качества пермеата или увеличение перепада давления на мембранном элементе.
В зависимости от вида загрязнений для химической мойки применяют различные составы:
– растворы лимонной или соляной кислоты, а также комплексообразователи (Трилон-Б – Na-ЭДТА) – для удаления кристаллических отложений, железа, марганца;
– растворы щелочей или Трилона-Б с добавлением моющих средств, ПАВ – для удаления органических загрязнений, силикатов, взвешенных и коллоидных веществ;
– растворы щелочей с добавлением биоцидов, окислителей, моющих средств – для удаления биопленки и микроорганизмов.
Очевидно, что чем реже приходится проводить химическую регенерацию мембран, тем дешевле обходится эксплуатация мембранной установки. В реальности частота химических моек колеблется от 1 раза в месяц до 1-2 раз в год и зависит от глубины предварительной очистки исходной воды, ее состава, продолжительности работы мембран в течении суток и других факторов. В ряде случаев используют определенную последовательность из нескольких интенсивных химических моек разными составами, что позволяет более полно восстановить мембраны при сложных случаях. Эффективность химической мойки во многом зависит от «запущенности» случая: если затянуть с процедурой регенерации, особенно в случае кристаллических или биологических отложений, мембрана уже не восстановит свои рабочие характеристики, так как осадки практически полностью забьют напорные каналы и промывка будет малоэффективна. Все вышесказанное про виды загрязнения мембран и борьбу с ними можно отнести и к ультрафильтрационным мембранам с той поправкой, что кристаллические отложения для них нехарактерны.