Введение
В процессе опреснения морской воды степень извлечения определяется как отношение скорости потока пермеата к скорости потока подаваемой в систему воды. В обратном осмосе (RO) оптимальная степень извлечения соответствует сценарию, при котором минимизируются общие затраты на опреснение морской воды для конкретного проекта. Более высокая степень извлечения приводит к снижению капитальных затрат, но к увеличению эксплуатационных расходов, последние обусловлены увеличением энергопотребления из-за более высокой солености концентрата. Более низкая степень извлечения приводит к снижению энергопотребления, но к увеличению капитальных затрат, поскольку для производства заданного объема пермеата требуется более крупное оборудование, что приводит к увеличению расходов.
Для большинства установок обратного осмоса морской воды (SWRO) минимальная общая себестоимость производства воды достигается при степени извлечения от 40% до 45%. Однако для установок SWRO требуются более высокие степени извлечения, если подача исходной воды или сброс рассола ограничены или дорогостоящи, предварительная обработка дорога или сложна, или капитальные и технические затраты высоки. Для существующих установок SWRO увеличение концентрации рассола может повысить степень извлечения и производить больше пермеата без расширения мощностей по подаче исходной воды или предварительной обработке.
В настоящее время высокоэффективное опреснение морской воды технически осуществимо и может привести к существенной экономии капитальных затрат.
Обзор
Традиционный метод концентрирования рассола — термическое испарение. Однако капитальные затраты и энергопотребление термического испарения слишком высоки для многих применений. В этом разделе рассматриваются стратегии достижения высокой концентрации рассола с использованием мембран обратного осмоса для получения высоких показателей извлечения.
Ограничивающие факторы масштабирования
При высоких концентрациях рассола существует потенциальный риск осаждения малорастворимых солей на поверхности мембраны (т.е. образования накипи). На рисунке 1 представлена диаграмма прогнозирования дозировки ингибитора образования накипи, показывающая процент насыщения основных солей в морской воде с концентрацией общего количества растворенных твердых веществ (TDS) 130 г/л [1]. Диаграмма показывает, что образования накипи можно избежать с помощью стандартной дозировки ингибитора образования накипи и нейтрализации pH подаваемой воды.
Осмотически стимулированный обратный осмос. В традиционном обратном осмосе давление подачи увеличивается с повышением степени извлечения, поскольку осмотическим давлением пермеата обратного осмоса можно пренебречь. Однако, если пермеат имеет относительно высокое содержание соли, требуемое давление подачи пропорционально разности осмотического давления между подачей и пермеатом. Осмотически стимулированный обратный осмос (OARO) использует это явление, позволяя получать рассол сверхвысокой концентрации при относительно низком давлении подачи. Мембраны OARO, также называемые мембранами обратного осмоса с низким содержанием соли (LSSRO), обеспечивают прохождение большого количества соли [2]. Они имеют ту же спирально-навитую конфигурацию, что и стандартные мембраны обратного осмоса морской воды (SWRO), и расположены в многоступенчатой установке, где большее количество ступеней приводит к более высокому коэффициенту концентрации. Тем не менее, каскадная схема ОАРО отличается от схемы традиционного многоступенчатого обратного осмоса (РО), как показано на рисунке ниже. В традиционном многоступенчатом процессе РО, показанном на рисунке 2, один или несколько промежуточных насосов используются для повышения давления подаваемого раствора с целью преодоления возрастающего осмотического давления в концентрированном потоке. Хотя этот подход эффективен, он ограничен максимальным сопротивлением давлению мембран и оборудования РО и требует наличия промежуточных насосов, способных выдерживать высокое давление.
Процесс обратного осмоса с промежуточным повышением давления
Процесс обратного осмоса с промежуточным повышением давления
Рисунок 3 – Процесс OARO без промежуточного повышения давления
В процессе OARO, показанном на рисунке 3, давление подачи не увеличивается между последовательными ступенями. Давление незначительно снижается на каждой последующей ступени из-за гидравлического сопротивления (обычно называемого перепадом давления) в каналах подачи/концентрирования. Соответственно, для последующих ступеней, где соленость подачи выше, следует выбирать мембраны OARO с более высокой проницаемостью и более низким уровнем отвода соли. Эта концепция аналогична внутренней ступенчатой или смешанной конструкции, обычно используемой в системах обратного осмоса, в которой более герметичные мембраны применяются на входе в сосуд, а более мягкие — на выходе [3]. Солевой пермеат из ступеней концентрирования OARO направляется в верхние ступени. Правильное расположение типов мембран в массиве OARO создает ступенчатый градиент проницаемости, который уравновешивает поток и максимизирует концентрацию на каждой ступени, минимизируя при этом объем солевого пермеата, рециркулируемого в процессе. Помимо устранения необходимости в промежуточных бустерных насосах, системы OARO также оптимизируют использование высокоэффективных устройств для рекуперации изобарической энергии, таких как теплообменник давления PX® Pressure Exchanger® (PX) от компании Energy Recovery Inc., описанный ниже.
Благодаря использованию технологии PX от Energy Recovery, компания OARO обеспечивает эффективный многоступенчатый обратный осмос с высоким уровнем извлечения и высоким давлением без дорогостоящего повышения давления между ступенями.
Сравнение с традиционной технологией обратного осмоса морской воды.
Как эти затраты соотносятся с затратами типичной одноступенчатой установки обратного осмоса морской воды (SWRO) для опреснения? Хотя приведенный выше анализ сосредоточен на оборудовании обратного осмоса, технологические потоки при различных коэффициентах извлечения должны учитывать вспомогательные сооружения, включая водозабор, сброс и предварительную обработку. Global Water Intelligence (GWI) [5] предоставляет данные о капитальных и эксплуатационных затратах для традиционных опреснительных установок. Расчетное удельное энергопотребление составляет 2,3 кВт·ч на кубический метр пермеата [6, 7], из которых 0,8 кВт·ч/м³ приходится на водозабор и предварительную обработку.
Два упомянутых выше сценария с наименьшими затратами и высокой степенью извлечения (оба с использованием OARO и PX ERD) сравниваются со сценарием обратного осмоса морской воды с 45% извлечением с использованием PX ERD в таблице 4 ниже. Как и ожидалось, сценарии с высокой степенью извлечения влекут за собой более высокое энергопотребление, но меньшие капитальные затраты (CAPEX), чем сценарий с низкой степенью извлечения, при этом общая себестоимость концентрированного рассола на единицу продукции на 10% выше. Однако, поскольку концентрированный рассол для обратного осмоса морской воды не требует дополнительного забора, сброса или предварительной обработки, его себестоимость на единицу продукции эквивалентна себестоимости обычного обратного осмоса морской воды. Это говорит о том, что концентрирование рассола может быть жизнеспособным подходом к увеличению производства пермеата без строительства новых первичных установок обратного осмоса. Кроме того, модернизация установок концентрирования рассола может быть осуществлена гораздо быстрее, чем строительство новых объектов, благодаря меньшей необходимой инфраструктуре.
Поскольку для опреснения рассола, полученного методом обратного осмоса морской воды, не требуются капитальные или эксплуатационные затраты на забор или предварительную обработку, стоимость его опреснения идентична стоимости опреснения морской воды.
Таблица 4 – Сравнение стоимости высокоэффективных альтернатив с традиционным обратным осмосом морской воды с использованием PX.
Экономические тенденции, приводящие к росту затрат на инфраструктуру, такие как повышение процентных ставок, увеличение стоимости материалов или дефицит материалов, будут способствовать дальнейшему развитию проектирования и эксплуатации систем обратного осмоса морской воды (SWRO) с более высокими коэффициентами извлечения. Аналогичным образом, регионы с более низкими ценами на электроэнергию или предприятия, способные использовать недорогую фотоэлектрическую солнечную энергию, могут найти системы SWRO с высоким коэффициентом извлечения или высококонцентрированные потоки рассола SWRO экономически более выгодными. Выводы. Анализ показывает, что системы обратного осмоса морской воды (SWRO) с высоким коэффициентом извлечения, использующие устройства рекуперации энергии PX, снижают общую стоимость производства воды на 14–20% по сравнению с системами, использующими два турбокомпрессора. Кроме того, результаты показывают, что общая стоимость производства воды с использованием технологии OARO значительно ниже, чем у UHPRO, главным образом за счет существенной экономии энергии, достигаемой устройствами рекуперации энергии PX. Хотя SWRO имеет более высокое энергопотребление, стоимость его концентрирования сопоставима с опреснением морской воды, при этом исключается большая часть затрат на инфраструктуру, что позволяет ускорить внедрение. Эти результаты убедительно демонстрируют преимущества высокоэффективного обратного осмоса морской воды как в новых, так и в существующих проектах по опреснению, особенно в регионах с высокими капитальными затратами, громоздкими или дорогостоящими сооружениями для забора, сброса или предварительной очистки воды, а также низкой стоимостью электроэнергии.