Удаление бора из воды с использованием обратного осмоса

Бор попадает в воду в результате растворения осадочных горных пород, а также со сточными водами промышленных предприятий. В соответствии с СанПиН 2.1.4.559–96 [1], предельно допустимое содержание бора в питьевой воде должно составлять не более 0,5 мг/л. Для поверхностных полноводных источников данное условие, как правило, выполняется. Но артезианские и грунтовые воды могут иметь значительное превышение по этому показателю.

Удалить бор из воды довольно сложно. Он содержится в воде в виде борной кислоты [H3BO3 или В(ОН)3], которая практически не диссоциирует в воде. При повышении рН воды бор переходит в форму гидрата бора. При этом, чем выше рН воды, тем больше борная кислота диссоциирует с получением аниона В(ОН)4-.

Обратноосмотические мембраны начинают проявлять селективные свойства по бору, находящемуся в состоянии В(ОН)4-. Анион обладает гидратной оболочкой и значительно увеличивает свои размеры, в отличие от слабо диссоциированной борной кислоты. Поэтому повышение рН воды перед установкой обратного осмоса — необходимое условие для удаления бора при помощи мембранных технологий.

Давайте рассмотрим на примере, как удалить бор из воды с использованием обратного осмоса.

Имеются следующие исходные данные. Расход исходной воды — 16,4 м³/ч, солесодержание (TDS) — 480 мг/л, рН — 8,3, состав исходной воды: аммоний — 0,42 мг/л; калий — 3,17 мг/л; натрий — 113 мг/л; жёсткость — 0,65 мг/л; бикарбонаты (НСО3) — 299 мг/л; сульфаты (SO4) — 20 мг/л; хлориды (Cl) — 12 мг/л; бор — 1,72 мг/л.

Для того, чтобы мембрана начала проявлять селективные свойства по бору, необходимо поднять рН воды. Для этого в воду можно дозировать едкий натр (NaOH). Но, если это сделать, то углекислотное равновесие сместится в сторону выпадения карбоната кальция в осадок. Поэтому, если напрямую в воду дозировать едкий натр перед установкой обратного осмоса, то на мембранах будет происходить интенсивный процесс выпадения карбоната кальция. Мембраны установки обратного осмоса быстро забьются, и потребуется химическая мойка. Необходимо понимать, что в данном случае забьются не только мембраны, но также и арматура, фильтр тонкой очистки непосредственно перед мембранами и т. п. Поэтому единственным надёжным способом избежать проблемы является умягчение исходной воды. При этом умягчение должно быть практически полным, поэтому необходимо организовывать процесс Na-катионитового умягчения воды в две ступени.

После умягчения в воду, практически не содержащую солей жёсткости, дозируется едкий натр. Необходимо поднять рН воды до значения не менее 10,0. Затем воду можно подавать на обратноосмотическое разделение.

Рис. 1. Схема очистки воды от бора с использованием технологии обратного осмоса

На рис. 1 представлена схема очистки воды от бора с использованием технологии обратного осмоса, имеющая наименьшие капитальные затраты. Исходная вода проходит систему предварительного осветления, состав которой подбирается в зависимости от качества исходной воды. Далее вода проходит глубокое Na-катионитовое умягчение в две ступени, и в воду дозируется едкий натр для повышения рН воды до значения 10,0. Потом подготовленная вода поступает на установку обратноосмотического обессоливания. Обессоливание воды происходит в одну ступень. Использованы мембраны BW30HR-440i.

В табл. 1 представлен результат расчёта процесса обратноосмотического обессоливания воды с использованием программы ROSA 9.0 для представленных исходных данных.

Как видно из табл. 1, содержание бора в фильтрате составляет 0,19 мг/л — при том, что в исходной воде 1,72 мг/л бора. Солесодержание фильтрата (TDS) — 12,15 мг/л, значение рН — 9,54. Для уменьшения рН необходимо дозировать в фильтрат лимонную кислоту, что позволит одновременно с уменьшением рН увеличить солесодержание воды.

Как видно по результатам расчёта, рекавери обратного осмоса составляет 75%. То есть с установки сбрасывается 4,1 м³/ч концентрата. Производительность по фильтрату составляет 12,3, в этом случае индекс Ланжелье (LSI) составляет −0,13. Это говорит о том, что на мембране не будет происходить осадкообразование. Итого соблюдены практически все условия для эффективной эксплуатации установки обратного осмоса.

Теперь рассмотрим ещё одну схему очистки воды от бора, в которой попытаемся достичь минимального расхода сточных вод.

В этом случае основные сточные воды определяются расходом концентрата с установки осмоса. Для того чтобы уменьшить расход концентрата, необходимо увеличить рекавери установки осмоса. Уменьшение расхода концентрата приводит к увеличению солесодержания концентрата и, соответственно, к повышению вероятности выпадения солей жёсткости в осадок. Поэтому даже при минимальном содержании кальция (0,02 мг/л) в воде после умягчения, при рекавери осмоса 90% и рН воды, равном 8,8, значение индекса Ланжелье составит −0,2. А если значение рН данной воды поднять до 10,0, то индекс Ланжелье окажется +0,51. На мембранах будет происходить осадкообразование. Почему так происходит?

Дело в том, что, хотя из воды практически полностью удаляется кальций, в ней находится достаточно большое количество бикарбонатов (4,9 мг-экв/л). Бикарбонаты составляют вторую часть осадка временной жёсткости.

Соответственно, в условиях высокого рН и высокой кратности циркуляции концентрата (высокого рекавери) создаются условия для выпадения карбоната кальция даже при его минимальной концентрации в исходной воде. Получается, что для достижения низкого расхода концентрата необходимо из воды удалять бикарбонаты. Для этого необходимо процесс обратноосмотического обессоливания проводить в две стадии. На рис. 2 представлена схема очистки воды от бора при условии сброса концентрата в количестве не более 10% от количества фильтрата. Принципиальное отличие этой схемы от первой в том, что едкий натр дозируется не перед первой ступенью осмоса (как в первой схеме), а перед второй.

Рис. 2. Схема очистки воды от бора при условии сброса концентрата в количестве не более 10 %

В этом случае достигаются следующие условия. На первой ступени возможно получить очень высокое рекавери (90% и более). Это происходит из-за того, что вода практически не содержит кальция и в неё не дозируется едкий натр. На первой ступени осмоса из воды удаляются ионы, в том числе бикарбонаты. Полученный фильтрат, всё ещё содержащий повышенное количество бора, направляется на вторую стадию, и перед ней в воду дозируется едкий натр. Значение рН воды повышается до 10,0, и фильтрат после второй стадии содержит бора не более требуемых значений.

В чём же преимущество данной схемы? Сброс концентрата производится только с первой ступени осмоса и составляет не более 10% от производительности по очищенной воде. Теоретически, при таком построении схемы возможно добиться ещё более высокого рекавери и, соответственно, более низкого расхода сточных вод.

Концентрат после второй ступени направляется на подмес к исходной воде первой ступени осмоса. То есть после второй ступени сброс воды в канализацию отсутствует.

Расчёт данной схемы водоподготовки представлен в табл. 2 и 3. В табл. 2 представлены результаты расчёта первой ступени осмоса, в табл. 3 — второй ступени.

Как можно видеть, сброс концентрата с первой ступени осмоса составил 1,8 м³/ч. В первом случае сброс концентрата был — 4,1 т/ч. Уменьшение сброса концентрата составило 2,8 раза. Концентрат расходом 1,62 м³/ч направляется со второй ступени на вход первой ступени.

Концентрация бора в фильтрате после второй ступени составила 0,34 мг/л, что соответствует требуемому значению (менее 0,5 мг/л). Причём после первой ступени осмоса (без увеличения рН исходной воды) концентрация бора была 1,58 мг/л, а в исходной воде — 1,72 мг/л. То есть при рН = 8,8 (значение рН перед первой ступенью) практически не наблюдается селективных свойств мембраны по отношению к бору.

Также можно проследить, как меняется индекс Ланжелье по стадиям. На первой стадии осмоса индекс равен −0,31, на второй −2,16. Имеется запас по увеличению рекавери первой ступени и, соответственно, ещё большему уменьшению расхода концентрата.

Расход фильтрата после второй ступени — 14,58 м³/ч, расход исходной воды — 16,38 м³/ч. За счёт того, что концентрат с осмоса второй ступени направляется на подмес ко входу первой ступени, значение рН исходной воды несколько возрастает (с 8,3 до 8,8). Тем не менее программа прогнозирует отсутствие осадка карбоната кальция даже при таком построении схемы. Более того, просматривается возможность ещё большего уменьшения сброса концентрата.

Вывод

Очистку воды от бора можно эффективно проводить при помощи обратного осмоса при условии соблюдения необходимых технологических параметров. При этом очистка обратным осмосом имеет ряд преимуществ перед другими технологиями — прежде всего это удаление органических веществ, а также гарантированное постоянство качества очищенной воды, отсутствие сложно утилизируемых сточных вод и ненужность дорогих реагентов для ведения процесса водоподготовки. При грамотной организации процесса обратноосмотические мембраны могут отработать более пяти лет, потребуются лишь крайне редкие профилактические мойки.