Очистка ультрафильтрационных мембран от органических загрязнений. Система ультрафильтрации воды: для чего она нужна и как работает

Майборода А. Б., кандидат химических наук, технический директор, ООО «Фазеркрафт»

Катраева И. В., кандидат технических наук, доцент кафедры экологии и природопользования и кафедры водоснабжения и водоотведения, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ)

Колпаков М. В., кандидат технических наук, технолог, ООО «Джурби ВотэТек»

В статье приведены результаты исследований по доочистке биологически очищенных сточных вод от фосфат-ионов и взвешенных веществ с помощью ультрафильтрации в сочетании с коагуляцией. Для тангенциальной ультрафильтрации в режиме «снаружи-внутрь» использовали половолоконный модуль российской компании ООО «Фазеркрафт» (г. Москва) с мембранами из поливинилиденфторида (ПВДФ). Изучено влияние на процесс фильтрации таких параметров, как трансмембранное давление и расход циркулирующего раствора. Исследования показали, что предлагаемая технология позволяет практически полностью очистить сточную воду от взвешенных веществ и снизить концентрацию фосфатов на 97%.

Ключевые слова : ультрафильтрация, доочистка сточных вод, удаление фосфатов, удаление взвешенных веществ

Поступление избыточного количества биогенных веществ (азота и фосфора) со сточными водами в поверхностные водные источники ведет к нарушению состояния водных экосистем и развитию процесса эвтрофикации водных объектов. Для удаления избыточного фосфора из сточных вод, прошедших глубокую биологическую очистку, наиболее часто используют физико-химический метод с применением различных минеральных коагулянтов . Осадок, содержащий фосфаты, отделяют осаждением и фильтрованием. Ультрафильтрация обеспечивает высокую степень очистки фильтрата и по этой причине все чаще используется в технологических схемах дополнительной обработки сточных вод .

В лаборатории ННГАСУ были проведены экспериментальные исследования по доочистке биологически очищенных бытовых сточных вод после вторичного отстойника с использованием технологии, которая включала реагентную обработку и ультрафильтрацию с концентрированием полученной суспензии. Использование ультрафильтрационных мембран позволяет практически полностью задержать взвешенные вещества и, как показали предыдущие испытания , снизить общее микробное число в очищаемой воде на 3-4 порядка за счет удержания бактерий, что, соответственно, позволяет значительно снизить расход обеззараживающего реагента. Схема и внешний вид лабораторной установки представлены на рис.1

Рис. 1. Внешний вид и схема лабораторной установки: 1-ёмкость для концентрирования; 2-рециркуляционный насос; 3-манометр; 4,9-цифровой измеритель потока; 5-мембранный модуль; 6-контроллер автоматизации; 7-перистальтический насос с реверсом; 8-датчик давления; 10-ёмкость фильтрата.

В качестве мембранного модуля применили российской компании ООО «Фазеркрафт» (г. Москва). Он представлял собой аппарат с цилиндрическим кожухом, внутри которого помещен пучок полых волокон, имеющих пористую стенку. С торцов аппарата пучок полых волокон был фиксирован эпоксидным компаундом. Технические характеристики мембранного модуля приведены в табл. 1.

Таблица 1. Технические характеристики мембранного модуля

В качестве коагулянта в сточную воду дозировали гидроксихлорид алюминия, доза которого в пересчете на Al2O3 составляла 20 мг/л. Для корректировки рН использовали известь в дозировке 2 мг CaO на 1 л очищаемой воды. Полученную суспензию циркуляционным вихревым насосом перекачивали по замкнутому контуру через кожух мембранного модуля, фильтрат отводился из внутренних каналов волокон. На линии фильтрата перистальтическим насосом создавали разрежение, за счет которого осуществлялась фильтрация. В ходе эксперимента трансмембранное давление фильтрации (ТМД ф) изменяли в интервале 0,05÷0,25 бар. После добавления коагулянта в емкость 1 суспензию концентрировали в 20 раз в течение суток, затем концентрат удаляли из емкости 1, заливали в нее новую порцию воды из вторичного отстойника и повторяли процесс очистки.

Работал в режиме тангенциальной фильтрации «снаружи-внутрь». Такая организация процесса была выбрана с целью обеспечения стабильной работы фильтра в условиях высокого содержания взвешенных веществ в очищаемой воде. Циркуляция суспензии через кожух аппарата позволяет избежать такого негативного явления, как закупоривание торцов волокон осадком ила, которое наблюдается при фильтрации «изнутри-наружу». Фильтрацию проводили круглосуточно в циклическом режиме (рис.2) под управлением контроллера автоматизации. Время фильтрования (tф) составляло 20 мин, время промывки (tп) фильтратом 1 мин, в ходе эксперимента трансмембранное давление промывки (ТМДп) на 0,05-0,1 бар превышало ТМДф, скорость тангенциального потока суспензии в кожухе аппарата (wт) меняли в пределах от 0,04 до 0,8 м/с. Указанному диапазону wт соответствует интервал значений критерия Рейнольдса от 68 до 1360, следовательно, течение жидкости в кожухе мембранного модуля происходило в ламинарном режиме.

Рис.2. Циклическая работа мембранного модуля (температура жидкости: +20 оС, wт = 0,14 м/с, ТМДф= 0,2 бар, tф=20 мин, ТМДп=0,3 бар, tп=1 мин)

Варьирование давления фильтрации показало, что поток фильтрата J возрастает с ростом трансмембранного давления от 0,05 до 0,2 бар (рис. 3). Дальнейшее увеличение значения ТМДф не приводит к росту J, что, вероятно, связано тем, что при увеличении трансмембранного давления происходит уплотнение осадка на мембране и возрастает его удельное гидравлическое сопротивление.

Рис. 3. Зависимость удельного потока фильтрата от трансмембранного давления фильтрования (температура жидкости +20 оС, wт = 0,47 м/с)

Увеличение концентрации твердой фазы в рециркулирующем растворе мало влияло на скорость фильтрации. Испытания показали, что концентрирование очищаемой суспензии с выходом 95 % жидкости в фильтрат приводит к падению производительности мембранного модуля только на 10 % (рис 4). Возможно, что негативное влияние сгущения суспензии компенсировалось за счет роста ее температуры: обычно за сутки (время обработки одной порции сточной воды) её температура возрастала примерно на 10 градусов (с +15 оС до +25 оС).

Рис. 4. Изменение потока фильтрата в течение суток после начала переработки очередной порции сточной воды (четвертые сутки ресурсных испытаний)

Варьирование рециркуляционного расхода показало, что при фиксированном трансмембранном давлении фильтрования (0,2 бар) расход фильтрата снижается с уменьшением скорости тангенциального потока (рис. 5). Это обусловлено увеличением толщины слоя осадка на мембране при снижении скорости потока, движущегося параллельно фильтрующей поверхности. Снижение скорости приводит к уменьшению затрат электроэнергии на циркуляцию жидкости, но одновременно увеличивается необходимая площадь мембран и капитальные затраты на изготовление установки. Как следует из рис. 5, уменьшение wт от 0,8 до 0,04 м/с (в 20 раз) приводит лишь к двукратному падению потока фильтрата. Это позволяет предположить, что оптимальная скорость тангенциального потока находится в области wт < 0,05 м/с.

Рис. 5. Зависимость удельного потока фильтрата от скорости тангенциального потока (температура жидкости: +20 оС, ТМДф= 0,2 бар)

Ресурсные испытания были проведены в течение 10 суток. Работа мембранного модуля была стабильной, что можно видеть из приведенного ниже рис. 6. При установленных параметрах удельный поток фильтрата J составил в среднем 65 л/ч∙м2.

Рис. 6. Работа мембранного модуля при следующих установленных параметрах: wт = 0,6 м/с, ТМДф= 0,2 бар, ТМДп= 0,25 бар.

Химический анализ очищенной воды проводился в сертифицированной лаборатории, данные по концентрации фосфатов в исходной и очищенной воде представлены на рис. 7, химический анализ по другим компонентам – в табл. 2.

Рис. 7. Концентрация фосфатов в воде, поступающей на доочистку, и в фильтрате

Таблица 2. Состав исходной сточной воды и фильтрата после мембранной очистки (третьи сутки ресурсных испытаний)

*до добавления коагулянта

Обеспечивает практически полное удаление из воды взвешенных веществ. Несмотря на высокую концентрацию коагулянта, не наблюдалось проскока алюминия в фильтрат: весь алюминий в форме гидроксида и других нерастворимых соединений задерживался мембраной. В отличие от алюминия железо удалялось только на 20 %. Поведение железа при доочистке сточных вод отличается от его поведения при ультрафильтрации природных вод (как поверхностных, так и подземных). В природных водах преобладает коллоидный гидроксид трехвалентного железа, который эффективно задерживается мембраной из ПВДФ. По-видимому, в сточных водах железо находится в виде соединений с органическими кислотами, и для его гидролиза требуется существенное увеличение рН.

Выводы:

Как показали проведенные лабораторные испытания технология, сочетающая коагуляцию и ультрафильтрацию с использованием мембран из ПВДФ, может быть использована для эффективной доочистки сточных вод после биологической очистки. Задержание взвешенных веществ мембранным модулем составило > 93%, задержание фосфатов – 97 %. Концентрация алюминия в фильтрате не превышала 0,04 мг/л.
Определено значение оптимального трансмембранного давления фильтрования (0,2 бар), которому соответствует максимальный поток фильтрата.
Увеличение расхода рециркуляции (тангенциального потока) приводит к росту потока фильтрата, однако, исходя из технико-экономических соображений, наибольший интерес представляет область низких значений скорости тангенциального потока (меньше 0,05 м/с).
Исследованный мембранный модуль работал стабильно в течение десяти дней с отбором 95% жидкости в фильтрат, при этом концентрирование примесей, подлежащих удалению (взвешенные вещества, фосфаты и др.) не оказывало существенного влияния на его производительность.

Список литературы:

Гандурина Л.В., Буцева Л.В., Штондина B.C. Реагентный способ удаления соединений фосфора из сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2001. № 6.
Дедков Ю.М., Коничев М.А., Кельина С.Ю. Методы доочистки сточных вод от фосфатов // Водоснабжение и санитарная техника. 2003, № 11.
Загорский В.А., Данилович Д.А., Козлов М.Н., Мойжес О.В., Дайнеко Ф.А. Анализ промышленного применения технологий удаления фосфора из городских сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. № 5.
Zhenga X., Plumeb S., Ernstc M., Crouea J.-P., Jekel M. In-line coagulation prior to UF of treated domestic wastewater – foulants removal, fouling control and phosphorus removal // Journal of Membrane Science. 2012. v. 403– 404.
Майборода А.Б., Петров Д.В., Кичик В.А., Стариков Е.Н. // Мембраны и мембранные технологии. – 2013.

Ультрафильтрация — процесс удаления взвешенных и коллоидных частиц в диапазоне размеров от 0,03 до 0,1 мкм на полимерных половолоконных мембранах низкого давления.

Назначение установки ультрафильтрации в составе системы очистки воды — по качественным показателям подготовить воду перед стадией обессоливания.

Природные воды представляют собой сложную многокомпонентную динамическую систему, в состав которой входят соли (преимущественно в виде ионов, молекул и комплексов), органические вещества (в молекулярных соединениях и в коллоидном состоянии), газы (в виде молекул и гидратированных соединений), диспергированные примеси, бактерии и вирусы. Таким образом, чрезвычайно сложный молекулярный состав поверхностных вод, а также сезонные изменения таких параметров как мутность, цветность и окисляемость не позволяют точно рассчитать работу ультрафильтрационной установки и предсказать режим её работы. Для определения эффективного режима работы ультрафильтрационной установки, правильного расчета схемы ультрафильтрации и проведения проектных работ необходимо проведение пилотных испытаний.

Для улучшения работы ультрафильтрационной установки (увеличение удельной производительности фильтрования), стоит предусмотреть предварительный нагрев исходной воды до 20-25 °С.

Состав установки ультрафильтрации

Установка ультрафильтрации состоит из следующих блоков:

предварительной очистки,
фильтрующих модулей,
системы дозирования коагулянта,
промывки установки.

Принципиальная схема установки ультрафильтрации

Блок предварительной очистки установки ультрафильтрации (ПУФ) состоит из насоса исходной воды, обычно Grundfos, и фильтра предварительной очистки с отсечкой 200 мкм для предотвращения загрязнения мембран грубой взвесью.

Блоки фильтрующих модулей предназначены для проведения процесса фильтрации.

Блок дозирования коагулянта предназначен для укрупнения примесей и облегчения их удаления. Блок дозирования коагулянта состоит из дозирующих насосов и емкости приготовления коагулянта. В качестве коагулянта при ультрафильтрации обычно применяется полиоксихлорид алюминия, например, «Аква-Аурат 18».

С целью хранения часового запаса исходной воды и обеспечения независимости работы установки очистки по гидравлическим параметрам, перед установкой очистки предусмотрен бак исходной воды.

Для обеспечения требуемых гидравлических параметров работы установки, в составе установки ультрафильтрации предусматривается насосная станция исходной воды.

Исходя из описанного предназначения элементов ниже приведён алгоритм работы установки ультрафильтрации.

Вода из баков исходной воды насосами забирается для очистки. Перед насосами исходной воды в очищаемую воду насосом-дозатором подаётся коагулянт с расходом, пропорциональным расходу исходной воды. Расход коагулянта определяется в процессе пилотных испытаний установки ультрафильтрации.

Дозирование коагулянта способствует эффективному снижению органических и железосодержащих соединений, позволяет укрупнить содержащиеся частицы коллоидных веществ, тем самым повысить эффективность процесса очистки воды.

Исходная вода после обработки коагулянтом подаётся на фильтр предварительной очистки, а затем на фильтрующие модули ультрафильтрации.

Вода после ультрафильтрационных модулей направляется в бак осветлённой воды.

Обратная и химически усиленная промывка фильтрующих модулей проводится с помощью блока промывки установки ультрафильтрации, состоящего из насосов промывки, фильтров грубой очистки с отсечкой 200 мкм для предотвращения попадания крупных включений из емкости, дозирующих насосов серной кислоты, дозирующих насосов и емкости дозирования биоцида. Обратная промывка проводится 3-5 раз в час для удаления взвешенных веществ, накопленных за время фильтрации, обратным током осветлённой воды. Химически усиленная промывка проводится 1-3 раза в день и позволяет провести очистку ультрафильтрационных мембран от органических (щелочная промывка) и неорганических (кислотная промывка) загрязнений.

Все переключения потоков в установке производятся автоматически системой автоматизированного управления технологическими процессами (АСУ ТП). Параметры процесса осветления (давление, расход, рН) контролируются по показаниям установленных приборов.

Основные параметры использования ультрафильтрационных установок

Качество очищаемой воды: Взвешенные вещества в исходной воде до 1 000 мг/л

Снижение по основным показателям в % от исходных:

Взвешенные вещества: до 100 %
Окисляемость: до 70 %
Железо: до 97 %
Цветность: до 96 %
ОМЧ: до 99,9%

Сравнение ультрафильтрации и традиционной очистки

Под традиционной очисткой будем понимать осветлители и механические фильтры.

Ультрафильтрация:

возможность получить воду питьевого качества
компактность
полная автоматизация и автономность работы
в большинстве случаев не требуется первичное хлорирование
низкие эксплуатационные затраты

Традиционная очистка:

качество воды не всегда удовлетворяет питьевым нормам
громоздкость
сложность автоматизации (осветлители)
требуется первичное хлорирование
высокие эксплуатационные затраты

Краткое описание блоков ультрафильтрационной установки

а) Блок коагуляции предназначен для укрупнения примесей и лучшего их удаления на установки ультрафильтрации. Блок коагуляции комплектуется баками дозирования коагулянта, насосами-дозаторами (срезервированием), КИП, трубопроводами и необходимой арматурой. Предполагается использовать жидкий коагулянт — полиоксихлорид алюминия (тип и доза реагента уточняется на пилотных испытаниях).

По желанию заказчика можно использовать существующий на производстве коагулянт и систему приготовления рабочего раствора реагента. Ориентировочный годовой расход 100 % коагулянта может составить около 135 тн.

б) Блок насосов исходной воды предназначен для подачи воды на мембранные блоки установки. Комплектуется насосами «Sulzer» с частотным приводом, КИП, трубопроводами и необходимой арматурой. Каждый мембранный блок укомплектовывается своим насосом исходной воды.

в) Блок фильтров грубой очистки для защиты ультрафильтрационных мембран от грубодисперсных взвесей предусматривается защитный барьерный самопромывной фильтр с тонкостью фильтрования 200 мкм. Промывка фильтров осуществляется автоматически по времени или по перепаду давления. Блок промывки укомплектован насосами исходной воды, подающими воду на мембраны. Все насосы оснащены частотными приводами.

г) Блок фильтрующих модулей. Установка ультрафильтрации укомплектовывается блоками мембранных элементов, в том числе 1 резервный блок на каждые 10 рабочих (примерная производительность одного блока, в зависимости от задачи — 50-150 м 3 /ч).

Во время нормальной эксплуатации установки работают все блоки. Удельный поток фильтрования на воде поверхностного водоисточника составляет обычно 50-70 л/м 2 ×ч и уточняется во время пилотных испытаний и ПНР.

д) Блок промывки мембран функционирует в двух режимах:

обратная промывка;
химически усиленная промывка.

Во время химически усиленной промывки в обратный ток фильтрата на мембранный блок подаются растворы гидроксида натрия и окислителя (гипохлорит натрия), серной кислоты.

Химически усиленная щелочная промывка производится 30 % NaOH, и 14 % NaOCl в пропорции 3:1. Химически усиленная кислотная промывка производится концентрированной серной кислотой. Все переключения потоков производятся автоматически.

Примерная периодичность обратной промывки — раз в 20-60 минут (длительность 1 минута); химической промывки — раз в сутки. Гидравлические режимы работы установки уточняются при проведении пилотных испытаний.

Блок промывки комплектуется сетчатыми фильтрами и насосами промывки (рабочим и резервным) с частотными приводами.

Презентация в формате PDF

Для предоставления технико-коммерческого предложения необходимо заполнить форму заказа.

А вы знаете, что современное эффективное решение проблем водоочистки – это функциональная установка для ультрафильтрации воды. Используемая комбинированная технология обеспечивает удаление взвесей, устраняет мутность, производит дезинфекцию. На сегодня это один из самых экономичных и экологичных способов очистки жидкости, не требующий предварительной водоподготовки и использования реагентов.

Суть метода

Ультрафильтрация воды относится к одной из баромембранных технологий. Ее качественные показатели и алгоритм работы находятся в промежутке между обратноосмотичес кой системой и микрофильтрацией. Сверхтонкая (ультратонкая) очистка предполагает пропускное отверстие в фильтре из трубчатого композита (капиллярном) размером 0,002…0,01 мкм. Через фильтрующие элементы микрофильтрации проходят частицы размером от 10 до 0,05 мкм. делает воду почти стерильной, отсекая загрязнения размером до 0,0001 микрон.Сквозь мембрану свободно проходят молекулы воды, ионы, но, в то же время, отсекаются крупномолекулярные примеси-загрязнители. Поэтому мембранные аппараты являются главным звеном ультрафильтрацио нной системы. Метод используется в автоматических водоочистительны х установках для подготовки воды на предварительном уровне:

морской;
поступающей из скважин, открытых водоемов;
подаваемой на обратноосмотичес кие очистители.

В установках обратного осмоса тоже происходит очистка воды – ультрафильтрация же характеризуется более широкими технологическими возможностями. Конструктивно агрегаты выполнены в виде оболочки (корпуса), где ортогонально установлены мембраны – фильтры. Основная конструкция может быть дополнена ультрафиолетовым обеззараживателе м. Система работает с проточной водой в заданном режиме и может монтироваться на вводе водопровода в дом или отдельную квартиру.Важно! Метод ультрафильтрации воды позволяет получать жидкость стабильно высокого качества в постоянном режиме, независимо от того, какой была исходная вода до очистки.

Какие примеси удаляются

Производительность установки напрямую зависит от типа мембран, конструктивных особенностей фильтрационных модулей, режима их работы. Подаваемая под напором вода проталкивается сквозь несколько фильтрующих элементов (мембран). По ходу она освобождается от:

частиц ржавчины, попавших в нее с внутренних поверхностей старых водопроводных труб;
находящихся в водном растворе органических соединений и неорганических примесей.

На выходе получается вода без вирусов и бактерий, не требующая доочистки, готовая к употреблению.

Очень важно! Фильтры ультрафильтрации воды, задерживая вредные для организма человека примеси, пропускают сквозь себя минералы, соли, полезные для его здоровья, сохраняя натриевый и кальциевый состав воды.

Особенности монтажа ультрафильтрационных установок

Вниманию потребителей предлагаются ультрафильтрационные мембранные установки различной производительности и вариантов исполнения. Благодаря минимальным размерам они эргономично вписываются в дизайн в процессе строительства или ремонта помещения, компактно монтируются в уже готовую обстановку, сокращая размер площади помещения под водоподготовку.

Системы ультрафильтрации воды имеют небольшие габариты, отсутствие специальных отсеков под реагенты и компактный электронный умягчитель, не требующий больших площадей.

Система ультрафильтрации воды может монтироваться так, чтобы очищенная жидкость подавалась не только на кухню, а во все точки разбора: душевая, бытовая техника, подогрев в бойлере, пр.

Алгоритм работы

Водоснабжение квартиры предполагает поступление двух видов воды: холодной и горячей. Но проблемы с работой теплосетей вынуждают самостоятельно нагревать при помощи водонагревателя подаваемую по магистрали холодную воду. Для очистки жидкости с последующим подогревом предполагается три этапа:

Прохождение через механические очистители из полипропилена. Отсекаются крупные нерастворимые фракции песка, глины, пр.
Очищение через устройство ультрафильтрации.

Если все же нужно очистить горячую воду, подаваемую по трубам, используются керамические фильтры микрофильтрации. Они выдерживают температуру на входе теплоносителя +70°С. В отличие от стандартных мембран, эффективность которых уменьшается уже при +40°С, керамика устойчива к высоким показателям температуры. Она убивает в фильтрах вредную патогенную флору, осветляет воду, не воздействует на минеральный состав. При этом концентрат в канализационный коллектор не сбрасывается. При давлении воды в водопроводной сети меньше 2,0 кгс/см. кв. для ее подачи предусматривается установка повысительного насоса. Уровень шума при работе оборудования не превышает предельно-допустимых значений.

Преимущества способа ультрафильтрации

Преимущественным и считаются такие характеристики ультрафильтрации:

Высокая степень очистки, в том числе, полное удаление коллоидных веществ, взвесей: хлорорганических соединений, тяжелых металлов, крупных фракций, солей жесткости.
Дезинфекция (физическое удаление патогенной флоры).
Отсутствие накопительного резервуара, «съедающего» пространство комнаты.
Автономность работы (без участия человека).
Продление срока службы бытовых приборов, техники.
Исключение контакта с неочищенной водой и повторного ее заражения.
Сохранение минерального состава природной воды.
Экологичность.
Варианты монтажа (вертикальный, горизонтальный), простота установки.
Экономичность: снижение расхода воды, электроэнергии, себестоимости, пр.
Компактность установки.
Долгий срок службы мембран: 5 лет и более. Ультрафильтрация обеспечивает пользователей прошедшей через систему фильтров вкусной и полезной водой.

Несмотря на то, что все большее внимание, уделяется охране окружающей среды, общемировой тенденцией является ухудшение качества воды в водозаборах. Не исключением являются и водозаборы РФ. В действующем СанПин 2.1.4.1074-01 нормируется содержание тридцати неорганических соединений и элементов и около 680 индивидуальных органических соединений, изомеров и смесей, которые классифицируются как «вредные вещества в питьевой воде ». Несмотря на столь внушительный список контролируемых показателей, уже сейчас можно с уверенностью утверждать, что употребление воды в пищу (равно как и использование в производстве пищевых субстанций) прошедшей подготовку только на городских очистных сооружениях, не только не улучшает здоровье, но и в ряде случаев для него опасно (вспомним хотя бы вспышку вирусного гепатита в Нижнем - Новгороде). Такое положение вещей связано с тем, что оборудование большинства станций водоподготовки устарело и требует реконструкции . Кроме того, зачастую, старые технологии водоподготовки (это в основном коагуляция, хлорирование воды) в «одиночку» справиться с новыми техногенными загрязнителями не в состоянии.

В будущем, в связи с нарастанием опасности техногенных катастроф, не приходится надеяться на улучшение качества воды в водозаборах. Тоже время можно быть уверенным во внедрении высокочувствительных (вероятно маркерных) методов мониторинга гигиенического качества воды и ужесточении нормативов по содержанию в воде (всех видов) токсичных соединений. В связи с этим при проектировании новых станций водоподготовки , которые в идеале должны быть устойчивы к аварийным загрязнением водозаборов, необходимо использовать технологии, обеспечивающие исключительную стабильность качества питьевой воды. На современном этапе таким требованиям отвечают только мембранные технологии водоподготовки (ультрафильтрация воды , нанофильтрация воды, обратный осмос) в комплексе с химическими технологиями (озонирование, и другие методы разрушения органических соединений в воде). Из всех мембранных методов водоподготовки для подготовки воды питьевого качества наиболее подходящим является ультрафильтрация воды .

Введение

Под ультрафильтрацией воды (УФ) понимается процесс удаления взвешенных и агломератов коллоидных частиц, в диапазоне размеров от 0.03 до 0.1 мкм, на мембранах низкого давления. В мире установки ультрафильтрации воды широко используются для обработки поверхностных или грунтовых вод , в том числе и для производства питьевой воды. Применение ультрафильтрации позволяет полностью решить проблему удаления из воды взвесей агломератов коллоидов, микроорганизмов. Фильтрат, полученный на установках ультрафильтрации имеет следующие типичные характеристики: значения SDI менее 2; взвешенные вещества менее 0,5 мг/л; содержание органических соединений в воде в сочетании с коагуляцией снижается в 2-3 раза; цветность не более 10-15 ; качество фильтрата стабильно и не зависит от флуктуаций качества питающей воды.

Ультрафильтрационная мембрана Hydracap изготавливается из полых волокон гидрофильного полиэстерсульфона (PES). Мембрана устойчива к воздействию хлора и имеет ресурс 200 000 ppm *часов по активному хлору. В цикле химической мойки мембрана может работать в широком диапазоне рН (2-13), при этом оставаясь устойчивой к биологическому загрязнению. Мембрана изготовлена из полых волокон с внутренним диаметром 0,8 или 1,2 мм. Стандартный модуль Hydracap 60 включает в себя 13200 полых волокон. Мембраны с волокнами диаметром 0,8 мм используются при значении мутности до 200 мг/л. Для более мутной воды рекомендуется использовать мембраны с волокнами диаметром 1,2 мм.

Параметр селективности стандартной мембраны ультрафильтрации составляет 100-150 кДа, что соответствует размеру поры примерно 0,025 мкм. Таким образом, мембрана обеспечивает эффективный барьер для большинства вирусов (на 4 порядка), бактерий (на 6 порядков) и Cryptosporidium oocysts .

На рис.1 представлена диаграмма ультрафильтрационной системы водоподготовки , которая состоит из питающего насоса, грязевика, ультрафильтрационного модуля, бака обратной промывки, насоса обратной промывки и системы химической очистки и дезинфекции.

Рис. 1. Схема полупромышленной ультрафильтрационной установки водоподготовки.

Питающая вода под давлением подается в систему ультрафильтрационной водоподготовки при помощи питающего насоса. Оценочный максимум дифференциального давления через всю систему около 2,5 бар, учитывающий потери на трение, а также падение давления на мембране, которое может увеличиваться из-за ее постепенного загрязнения и достигать значения 1,0 бар.

Периодически проводится обратная промывка модуля ультрафильтрации воды, для которой используется фильтрат, собранный в бак обратной промывки. Во время обратной промывки из системы удаляются загрязнения, и восстанавливается начальное падение давления на мембране.

Ультрафильтрационная система водоподготовки работает в автоматическом режиме и управляется микропроцессорным контроллером (PLC), который координирует работу всех компонентов системы, управляя работой насосов, вентилей и дозирующего оборудования.

В воду, которая питает ультрафильтрационную систему водоподготовки, может осуществляться дозирование коагулянта. Данный прием особенно эффективен, если имеют место периодические ухудшения качества питающей воды. Действие коагулянта приводит к формированию «хлопьев», на которых адсорбируются органические соединения. «Хлопья» задерживаются на поверхности ультрафильтрационнй мембраны и легко удаляются при обычной обратной промывке. Без использования коагулянта уменьшение параметра полной органики (ТОС) системой ультрафильтрации находится на уровне 25%, при использовании коагулянта данное значение возрастает до 60% (поверхностные воды).

Нашей компанией были проведены полупромышленные испытания собственных установок водоподготовки на основе ультрафильтрации воды , одна из них работала на мембранах Hydracap . В настоящей статье сообщается о некоторых результатах работы этой установки.

Результаты испытаний установки ультрафильтрации воды

В ходе полупромышленных испытаний отрабатывалась схема работы установки ультрафильтрации на воде реки Москва. Были уточнены основные показатели работы установки водоподготовки, такие как – удельный съём фильтрата с поверхности мембранного элемента, доза коагулянта, уровень pH исходной воды и воды полученной в результате ультрафильтрации.

Дозы коагулянтов .

Для обеспечения более полного удаления органических веществ из исходной воды проводилось дозирование полиоксихлорида алюминия (Аурат-18) и/или хлорида железа III . Использование этих коагулянтов позволяет добиться снижения уровня органических веществ в воде не менее чем на 60%.

Оптимальная доза составляет 4 мг/л по Al для полиоксихлорида алюминия и 6 мг/л по Fe для хлорида железа III . По результатам химических анализов фильтрата с установки ультрафильтрации, концентрация остаточного алюминия составила менее 0.05 мг/л, железа менее 0.1 мг/л.

Динамика изменения качества воды после коагуляции в осветлителе и ультрафильтрации иллюстрирована на рис 2-3.

Рисунок 2

Как наглядно видно из представленных графиков, технология ультрафильтрации воды с предварительной коагуляцией имеет значительное преимущество перед классической технологией осветления. Качество воды, полученной после ультрафильтрации по взвешенным веществам, практически не зависит от качества исходной воды и стабилизируется на уровне 0.1- 0.2мг/л. Содержание железа в выходной воде не превышало 100 мкг/л и определялось, в основном, количеством дозируемого в поток исходной воды хлорного железа. Эффективность удаления окисляющейся органики (перманганатная окисляемость) составила около 60% она сильно зависит от условий коагуляции (температура, рН, время коагуляции) и типа коагулянта.

Рисунок 3

КПД системы водоподготовки по воде – не менее 92%. Расход электроэнергии системы водоподготовки на выработку 1м 3 воды составляет около 0,19 кВт*ч.

Режимы фильтрования

Когда производится ультрафильтрация воды, фильтры могут работать в тупиковом и тангенциальном режимах. В первом случае производится очистка всей подаваемой воды. Отложения с мембраны периодически удаляются в процессе промывки или с дренажным потоком. Мембрана быстро загрязняется, и перепад давления на ней должен поддерживаться небольшим, что снижает производительность аппарата. Способ применяется для водоподготовки, при небольшой концентрации взвесей.

При тангенциальном режиме фильтруемая среда циркулирует вдоль поверхности мембраны и отложений на ней образуется немного. Турбулентность потока в канале подачи позволяет очищать воду с высокой концентрацией взвесей. Недостатками способа являются рост энергозатрат на создание большой скорости потока и необходимость установки дополнительных трубопроводов.

Параметры ультрафильтрации

Основными параметрами ультрафильтрации являются:

Селективность - соотношение концентраций примесей в загрязненной воде (С вх.) и в фильтрате (С вых.): R = (1 - С вых. / С вх.) ∙ 100 %. Для процесса ультрафильтрации она велика, что позволяет задерживать мельчайшие частицы, в том числе бактерии и вирусы.
Расход фильтрата - количество очищенной воды в единицу времени.
Удельный расход фильтрата - количество продукта, проходящего через 1 м 2 площади мембраны. Зависит от характеристик фильтрующего элемента и чистоты исходной воды.
Перепад давления на мембране - разность между давлением со стороны питания и со стороны фильтрата.
Проницаемость - отношение между удельным расходом фильтрата и перепадом давления на мембране.
Гидравлический КПД - отношение между расходами фильтрата и подаваемой исходной воды.

Ультрафильтрация для дезинфекции воды

Традиционные методы удаления микроорганизмов включают технологии с применением реагентов. Ультрафильтрация воды заключается в физическом отделении от нее микроорганизмов и коллоидов за счет малого размера пор мембраны. Достоинством способа является удаление трупов микроорганизмов, водорослей, органических веществ и механических частиц. При этом нет необходимости в специальной подготовке воды, которая в других случаях обязательна. Требуется только предварительно пропустить ее через 30-микронный фильтр механической очистки.

При покупке фильтров требуется определить размеры пор мембран. Чтобы полностью удалить вирусы, диаметры отверстий должны быть на уровне 0,005 мкм. При больших размерах пор функция обеззараживания выполняться не будет.

Кроме того, технология ультрафильтрации предусматривает осветление воды. Все взвеси полностью удаляются.

Установка ультрафильтрации воды содержит параллельно подключенные аппараты, что обеспечивает необходимую производительность процесса и возможность их замены в процессе работы.

Очистка воды перед ионообменными фильтрами

Смола эффективна при задержке размером 0,1-1,0 мкм, но они быстро закупоривают гранулы. Промывка и регенерация здесь мало помогают. Особенно тяжело удалить частицы SiO 2 , которых особенно много в скважинах и речной воде. После закупоривания смола начинает обрастать микроорганизмами в местах, не промываемых моющими растворами.

Иониты также активно забиваются эмульгированными маслами, которые невозможно удалить. Закупоривание происходит настолько сильно, что проще заменить фильтр, чем отделить от него масло.

Фильтрующие гранулы смол активно забиваются высокомолекулярными соединениями. Их хорошо удаляет активированный уголь, но он имеет малый срок службы.

Ионообменные смолы эффективны вместе с ультрафильтрацией, удаляющей более 95 % коллоидов.

- ультрафильтрация перед обратным осмосом

Эксплуатационные расходы снижаются при ступенчатой установке фильтров с последовательным уменьшением размеров задерживаемых частиц. Если перед ультрафильтрационным модулем устанавливается более грубая очистка, то он повышает эффективность систем обратного осмоса. Последние чувствительны к анионным и неионогенным флокулянтам, если на предварительной ступени производится коагуляция загрязнений.

Крупномолекулярная органика быстро забивает поры обратноосмотических мембран. Они быстро обрастают микроорганизмами. Предварительная ультрафильтрация воды решает все проблемы и экономически целесообразна при использовании с обратным осмосом.

Обработка стоков

Очистка сточных вод ультрафильтрацией дает возможность повторно их использовать в промышленности. Для применения в технике они подходят, а техногенная нагрузка на открытые водоемы питьевого назначения снижается.

Мембранные технологии применяются для гальванического и текстильного производства, в пищевой промышленности, системах обезжелезивания, при удалении из растворов карбамида, электролитов, соединений тяжелых металлов, нефтепродуктов и др. При этом повышается эффективность очистки и упрощается технология.

При низкой молекулярной массе примесей ультрафильтрацией можно получать концентраты чистых продуктов.

Особенно важна проблема отделения от воды эмульгированных масел. Преимуществом мембранной технологии является простота способа, низкие энергозатраты и отсутствие потребности в химикатах.

Обработка вод поверхностных источников

Осаждение и фильтрование ранее были эффективными способами очистки воды. Примеси природного происхождения здесь удаляются эффективно, но сейчас появились техногенные загрязняющие вещества, для удаления которых требуются другие способы очистки. Особенно много проблем создает первичное хлорирование воды, образующее хлорорганические соединения. Применение дополнительных стадий очистки активированным углем и озонированием повышает себестоимость воды.

Ультрафильтрация позволяет получать питьевую воду прямо из поверхностных источников: из нее удаляются водоросли, микроорганизмы, взвешенные частицы и др. соединения. Способ эффективен с предварительной коагуляцией. При этом не требуется длительное отстаивание, поскольку не обязательным является формирование крупных хлопьев.

Установка ультрафильтрации воды (фото ниже) позволяет достигать устойчиво хорошего качества очищенной воды без применения сложного оборудования и реагентов.

Применение методов коагуляции становятся неэффективным, поскольку многие органические соединения в воде не определяются традиционным методом окисления перманганатом калия. Кроме того, содержание органики колеблется в широких пределах, из-за чего сложно подобрать необходимую концентрацию реагентов.

Заключение

Ультрафильтрация воды через мембраны позволяет добиться ее необходимой чистоты при минимальном расходе реагентов. Сточные воды после обработки можно использовать для промышленных целей.

Ультрафильтрация не всегда эффективна. Способ не позволяет удалять некоторые вещества, например, и некоторые гуминовые кислоты. В таких случаях применяется многоступенчатая очистка.