А. П. Андрианов, инж. (МГСУ); А. Г. Первов, д-р техн. наук (ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО)

Все больше внимания в настоящее время уделяется поиску новых перспективных методов очистки воды, более компактных, дешевых, простых в эксплуатации по сравнению с традиционными. К их числу относятся мембранные методы: ультрафильтрация и нанофильтрация.

Оба процесса имеют сходное аппаратурное оформление, но в технологическом плане имеются принципиальные различия. Если при эксплуатации нанофильтрационных установок накопившиеся в процессе работы на поверхности мембран осадки (задержанные из воды загрязнения) удаляются с помощью химических промывок (т. е. с применением реагентов), то при эксплуатации ультрафильтрационных мембран удаление загрязнений с поверхности мембран производится обратным током, как у фильтров с зернистой загрузкой. Поэтому безреагентная ультрафильтрация считается за рубежом технологией будущего .

Ультрафильтрация – это мембранный процесс, занимающий промежуточное положение между нанофильтрацией и микрофильтрацией. Ультрафильтрационные мембраны имеют размер пор от 20 до 1000 Å (или 0,002–0,1 мкм) и позволяют задерживать тонкодисперсные и коллоидные примеси, макромолекулы (нижний предел молекулярной массы составляет несколько тысяч), водоросли, одноклеточные микроорганизмы, цисты, бактерии и вирусы. Таким образом, использование мембранной ультрафильтрации для очистки воды позволяет сохранить ее солевой состав и осуществить осветление и обеззараживание воды без применения химических веществ, что делает эту технологию перспективной с экологической и экономической точек зрения.

Технология обработки воды с помощью ультрафильтрационных мембран заключается в «тупиковой» фильтрации воды через мембрану без сброса концентрата. Такой режим работы позволяет сократить расход воды на собственные нужды станции очистки и уменьшить ее общее энергопотребление. Процесс фильтрования длится 20-60 мин, после чего следует обратная промывка мембраны. Для этого часть очищенной воды под давлением подается в фильтратный тракт в течение 20-60 с. В процессе обратной промывки вода уносит с поверхности мембран слой накопившихся загрязнений. На рис. 1 показаны устройство и схема работы ультрафильтрационных рулонных элементов.

Рис. 1. Ультрафильтрационный модуль

а - рабочий режим; б - режим промывки; 1 - исходная вода; 2 - фильтрат; 3 - рулонный элемент; 4 - сброс концентрата; 5 - обратная промывка фильтратом

В процессе длительной работы производительность мембранных аппаратов постепенно уменьшается, так как на турбулизаторной сетке, на поверхности и на стенках пор мембран сорбируются различные вещества и отлагаются частички загрязнений, увеличивающие общее гидравлическое сопротивление мембранных аппаратов. Для восстановления первоначальной производительности несколько раз в год проводится химическая промывка мембранных аппаратов специальными кислотными и щелочными реагентами для удаления накопленных загрязнений.

При конструировании систем очистки воды на основе метода ультрафильтрации основной задачей, встающей перед проектировщиком, является правильное определение продолжительности прямого фильтрования, а также частоты и интенсивности обратных промывок. Эти параметры зависят от качества исходной воды и определяются исходя из оптимальных соотношений производительности ультрафильтрационной установки и ее общего водопотребления . Правильный выбор режима промывки обеспечивает эффективную работу установки, заключающуюся в длительном сохранении производительности и качества фильтрата. Авторами на примере обезжелезивания подземной воды была разработана методика поиска оптимальных параметров работы ультрафильтрационной установки.

Эффективность обратной промывки зависит от ее интенсивности (при неизменном давлении промывки можно оперировать длительностью обратной промывки) τ и интервала между промывками (продолжительность фильтроцикла) t. При заданном времени τ эффективность работы установки зависит от продолжительности t: чем меньше t, тем эффективнее проходит отмывка мембраны от загрязнений, но тем больше образуется промывной воды. Исследования по оптимизации процесса обратной промывки ставят целью определить такие значения τ и t для различного состава обрабатываемой воды, которые соответствуют наибольшему количеству очищенной воды, полученной в течение времени Т. Исследования проводились на модельных растворах хлорида железа (III) на ультрафильтрационных мембранах марки УАМ-150. На рис. 2 показано снижение производительности мембранного аппарата с течением времени для разных концентраций железа в исходной воде.

Для определения оптимальных величин продолжительности фильтроцикла и промывки проводилось несколько серий экспериментов с различной продолжительностью обратной промывки. В каждой серии при фиксированной длительности обратной промывки менялась продолжительность фильтроцикла. Зависимости объема фильтрата и промывной воды от времени работы установки для одной серии экспериментов приведены на рис. 3 (продолжительность обратной промывки 30 с).

Поиск оптимальных соотношений длительности фильтроцикла и промывки производится по максимальной полезной производительности мембранного аппарата, которую можно определить как Vполезн = Vф - Vпр.. Сначала оптимальные точки находились отдельно для каждой продолжительности промывки. На рис. 4 показано определение оптимальной продолжительности фильтроцикла при длительности промывки 30 с. Затем полученные кривые зависимости полезного объема чистой воды от продолжительности фильтроцикла сводятся в один график (рис. 5), и по точкам максимумов этих кривых строится результирующая кривая, которая позволяет определить максимальное количество очищенной воды в зависимости от t и τ и соответственно найти оптимальную длительность обратной промывки. Эксперименты по приведенному алгоритму определения точки оптимума повторяются для различных концентраций железа в исходной воде.

Таким образом, полученные в результате проведенных экспериментов данные могут использоваться в качестве рекомендаций при разработке систем обезжелезивания на основе мембранной ультрафильтрации.

Рис. 3. Зависимость объема фильтрата (сплошная линия) и промывной воды (пунктирная линия) от времени работы установки при длительности промывки 30 с

продолжительность фильтроцикла, мин: 1, 1¢ - 15; 2, 2¢ - 30; 3, 3¢ - 60

Рис. 4. Определение оптимальной продолжительности фильтроцикла при длительности обратной промывки 30 с

1 - Vф; 2 - Vполезн; 3 - Vпр

Помимо указанных выше параметров на эффективность работы мембранных аппаратов влияет величина давления: рабочего и обратной промывки. При определении точки оптимума необходимо учитывать не только полезную производительность, но и объемы исходной и сбрасываемой в канализацию воды, при этом вычисление оптимальных соотношений длительности промывки и фильтроцикла производится на основе экономических расчетов.

Рис. 5. Определение оптимальной продолжительности промывки для разной продолжительности фильтроцикла продолжительность обратной промывки, с: 1 - 15; 2 - 30; 3 - 45; 4 - 60; пунктир - оптимум

В результате исследований разработаны технологические схемы и конструкции установок, предназначенных для обработки подземных вод с повышенным содержанием железа. В зависимости от состава исходной воды производится выбор той или иной модификации установок, отличающихся устройством аэрации и маркой используемых мембран. Вместе с удалением железа на установках обеззараживают воду без использования реагентов, удаляют сероводород и осветляют воду в случае выноса из скважины глинистых частиц.

Метод обезжелезивания воды с помощью ультрафильтрации рекомендуется применять при следующих показателях качества исходной воды: железо общее – не более 40 мг/л; щелочность – не более (1+Fe2+/28) мг-экв/л; рН – не менее 6 (водородный показатель воды после аэрации должен быть не менее 6,7-7); содержание Н2S – не более 5 мг/л; перманганатная окисляемость – не более 6-10 мг/л.

При содержании железа до 5 мг/л и сероводорода до 2 мг/л применяется схема с упрощенной аэрацией и фильтрованием на мембранах типа УАМ-500 и УАМ-1000. При содержании железа до 20-40 мг/л и сероводорода выше 2 мг/л используется аэрация эжектированием или барботированием и дополнительная упрощенная аэрация. При содержании в исходной воде трудноокисляемого железа, низких значениях рН и отсутствии растворенной углекислоты степень аэрации увеличивается. В зависимости от продолжительности процесса окисления двухвалентного железа и расчетной производительности установки обезжелезивания назначается объем аэрационных сооружений.

При наличии в исходной воде грубодисперсных примесей и песка в начале технологического тракта предусматривается сетчатый самопромывающийся фильтр с размером ячеек 100- 200 мкм. Внешний вид и принципиальная технологическая схема установки приведены на рис. 6 и 7. В зависимости от содержания железа и мутности исходной воды потребление воды на собственные нужды станции составляет не более 3-5 %, удельная потребляемая мощность 1,5-2 кВт∙ч/м3.

Рис. 7. Технологическая схема обезжелезивания подземных вод с использованием ультрафильтрации (при содержании железа в исходной воде не более 5 мг/л)

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.

Для России и стран СНГ проблемой государственного масштаба стало снабжение населения качественной водопроводной водой. Традиционные методы очистки воды плохо справляются с удалением значительного количества новых техногенных загрязняющих веществ.

Изношенность большинства водопроводных магистралей приводит ко вторичному загрязнению воды и учащению аварийных выбросов. Традиционные бытовые магистральные фильтры не справляются с задачей качественной очистки воды. Решением этой проблемы является использование новейшего и перспективного метода ультрафильтрации - мембранного метода очистки воды.

Компания Waterman предлагает Вашему вниманиюустановки ультрафильтрации, успешно решающие целый комплекс задач по очистке воды. Наши специалисты разработают оптимальную технологическую схему обработки воды с использованием технологий ультрафильтрации, осуществят проектирование, монтаж и запуск системы в эксплуатацию.

В промышленном масштабе метод ультрафильтрации для очистки воды стал применяться с конца ХХ века. В год суммарный прирост объемов воды, очищенной с помощью ультрафильтрации, составляет около 25 %.

Острота проблемы с чистой водопроводной водой в странах Азии (таких как Малайзия, Сингапур, Тайвань, Китай), поспособствовала созданию в 1985 году исследовательского центра в Сингапуре.

Центр разработал надёжную и недорогую для этих стран технологию ультрафильтрации. Сейчас бытовой модуль ультрафильтрации в азиатских семьях (например, в Малайзии) - такой же атрибут быта, как телевизор или холодильник.

Технология ультрафильтрации, усовершенствованная и проверенная временем, не осталась незамеченной Европой и Америкой.

Области применения технологии ультрафильтрации

С конца ХХ в. метод ультрафильтрации стал использоваться в промышленном масштабе. На сегодняшний день в мире работают сотни производительностью до 4105 м 3 /сут. Около 25 % составляет ежегодный суммарный прирост объемов воды, обработанной методом ультрафильтрации. Ультрафильтрацией обеспечивается качественная очистка вод поверхностных источников, питьевой, оборотной и технологической воды при минимуме эксплуатационных затрат. Ниже приведён перечень основных областей использования ультрафильтрационной технологии.

Использование метода ультрафильтрации для дезинфекции воды

С помощью стандартных модулей ультрафильтрации производится удаление вирусов и бактерий на уровне не менее 99,99%. В отличие от традиционных методов дезинфекции воды (хлорирование, ультрафиолетовое обеззараживание, озонирование и др.), при ультрафильтрации микроорганизмы физически устраняются из воды. Это достигается за счет того, что в ультрафильтрационной мембране диаметр пор значительно меньше размеров вирусов или бактерий (пора – 0,01 мкм, бактерия – 0,4…1,0 мкм, вирус – 0,02…0,4 мкм). Таким образом, микроорганизмы, находящиеся в воде, не могут проникнуть через такой барьер. В результате устраняется необходимость первичного хлорирования воды, а обеззараживание осуществляется уже непосредственно перед подачей воды потребителю.

Обработка ультрафильтрацией хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод

Во всем мире стараются повторно использовать очищенные сточные воды, которые гораздо выгоднее не сбрасывать в открытый водоем, а после обработки ультрафильтрацией направлять для промышленного использования. Тем самым техногенная нагрузка на водоёмы хозяйственно-питьевого назначения значительно снижается.

Использование ультрафильтрации в качестве предварительной ступени перед системами обратного осмоса

Обычно в для предварительной очистки используются мешочные или патронные фильтры (рейтинг фильтрации 5 мкм). Замена их на ультрафильтрационные модули, имеющие более длительный срок службы, позволит снизить эксплуатационные расходы.

Применение ультрафильтрационных модулей позволяет стабилизировать коллоидный индекс SDI на уровне 1-2, в результате значительно сокращается частота промывок и замен мембран обратного осмоса.

Использование в качестве предварительной фильтрации перед обратным осмосом технологии осветлитель + флокулянт требует тщательного выбора флокулянтов. Катионные флокулянты нельзя использовать, так как обратноосмотические мембраны имеют отрицательный заряд. Анионные и неионогенные флокулянты используются при минимальных дозах. Сложно после блокировки пор флокулянтом восстановить работоспособность мембран. Эта проблема полностью отсутствует при ультрафильтрационной обработке.

Обратноосмотические мембраны при определенных условиях подвержены биообрастанию. Возникновению этой проблемы способствует высокая температура исходной воды, большое содержание “органики” (перманганатная окисляемость более 3,0 мгО 2 /л), длительные межпромывочные циклы, значительная обсемененность исходной воды.

Значительное количество крупномолекулярной “органики”, содержащейся в воде при традиционной технологии осветления, может заблокировать поры обратноосмотических мембран. Процесс ультрафильтрации делает возможной эффективную очистку обратноосмотическими системами воды с очень высоким потенциалом биообрастания (например, очищенными хозяйственно-бытовыми сточными водами).

Ультрафильтрация промывных вод фильтров обезжелезивания, осветления и сорбции

Степень использования воды повышается до 99,8 %, если промывные воды подвергать ультрафильтрации. Этим целям служат ультрафильтрационные фильтр-прессы, которые обеспечивают механическое обезвоживание осадков.

Использование ультрафильтрации для осветления воды

При оценивании новой технологии обращают внимание на себестоимость и качество получаемого продукта. Более низкая себестоимость осветленной воды высокого качества обеспечивается за счет компактности установок ультрафильтрации, простоты их обслуживания и незначительного расхода химических реагентов. В конечном итоге себестоимость осветленной воды, полученной с помощью ультрафильтрации, определяется качеством исходной воды и производительностью установки. Себестоимость очищенной воды для небольших коммерческих установок (производительность менее 100 м 3 /час) находится в пределах 1,5–3,5 руб/м 3 , для установок производительностью более 100 м 3 /час себестоимость очищенной воды ниже: 0,5–2,0 руб/м 3 .

Осветление воды при розливе в бутыли (осветление питьевой и минеральной воды)

Чистота природного источника воды не избавляет от необходимости перед розливом питьевой воды в бутыли пропускать ее через фильтр тонкой очистки.

Очистка воды с помощью чаще всего применяемых для этой цели механических фильтров картриджного типа (например, Big Blue 20) или мешочного типа 1-5 мкм не обеспечивает требуемую степень фильтрации. Наиболее перспективным методом улучшения качества воды (природных вод) является осветление воды методом ультрафильтрации (улучшение качества воды методом стерилизующей ультрафильтрации).

Ультрафильтрация как предварительная ступень очистки перед ионообменными фильтрами

Большие сложности возникают при использовании (особенно в промышленности и энергетике). Гранулометрический состав воды редко учитывается, когда проектируются системы фильтрации воды. Микрофильтрационные и осветлительные фильтры предварительной очистки эффективно удаляют взвешенные частицы размером свыше 1,0 мкм. Ионообменные смолы не пропускают коллоиды величиной 0,1…1,0 мкм, но вместе с тем происходит их «закупоривание». Результатом «закупоривания» является снижение интенсивности ионного обмена и ресурса смол. Чтобы этого избежать, нужно уменьшить мутность исходной воды ниже 3 NTU (нефелометрические единицы мутности). Это позволяет сделать ультрафильтрация (обеспечивает мутность до 0,1 NTU).

Часто имеющиеся в речной воде и воде артезианских скважин коллоиды SiO2 вызывают проблемы в процессе ионного обмена. При значении рН меньше 7 (после H-катионирования) может происходить полимеризация SiO 2 (молекулы объединяются в длинные цепочки). С поверхности смолы такие образования удалить чрезвычайно сложно: требуются длительные слабоэффективные промывки и восстановление ионообменного материала. Для предотвращения необратимого «закупоривания» ионитов достаточно установить перед ионообменными фильтрами систему ультрафильтрации, удаляющую более 95 (а иногда и более 98) % коллоидов SiO 2 . При определенных условиях, например, при наличии в системе не промываемых химическими растворами пространств, происходит рост количества микроорганизмов, которые также служат причиной “закупоривания” ионообменных смол. Кроме того, бывает так, что уплотнения, клапаны и необработанные поверхности, соприкасающиеся с водой, не соответствуют санитарным требованиям и техническим нормам. В таких областях при благоприятных температуре и уровне рН процесс биообрастания активизируется. Использование ультрафильтрации позволяет значительно замедлить протекание этого процесса на поверхности смол.

В нефтехимической, химической промышленности и при очистке сточных вод ионообменные смолы загрязняются содержащимися в воде маслами. Часть масел легко удаляется в процессе осаждения, флотации или коалесценции. Но химически или механически эмульгированные масла плохо удаляются. Часто бывает дешевле заменить смолы, чем пробовать очистить их от масел. Эту проблему решает предварительная ультрафильтрация, обеспечивающая удаление до 99% эмульгированных масел перед последующей очисткой воды смолами.

Часто поверхность фильтрующих гранул и пространство между ними загрязняются высокомолекулярными органическими соединениями. Решить проблему пытаются использованием активированного угля или определённой смеси ионообменных смол. Однако активированный уголь имеет небольшой срок службы и обрастает микроорганизмами, а смолы приходится часто регенерировать (порой неэффективно). Учитывая повышенные эксплуатационные расходы и простои оборудования, мы видим, что ультрафильтрация является экономически более оправданным методом очистки воды от органических примесей.

Обработка ультрафильтрацией вод поверхностных источников и речной, озерной воды

Широко используемые в коммунальном хозяйстве и промышленности России методы осаждения и фильтрования с предварительной коагуляцией с середины ХХ века не претерпели радикальных изменений. Коагуляция эффективно удаляет примеси природного происхождения. Но произошел значительный рост количества техногенных загрязняющих воду веществ, для удаления которых методы отстаивания и фильтрования не всегда могут быть эффективными. Около 1000 контролируемых химических веществ насчитывается по новым санитарным нормативам. При первичном хлорировании воды происходит образование сотен хлорорганических соединений, что вызывает большие проблемы.

О содержании органических веществ судят, как правило, по перманганатной окисляемости воды. Из-за трудностей окисления техногенных органических соединений перманганатом калия истинное качество воды по содержанию «органики» не отражается этим показателем. В процессе наблюдений в течение недели за составом воды в р. Кама замечено, что перманганатная окисляемость менялась в диапазоне от 3,36 до 4,16 мгО 2 /л, в то время как бихроматная окисляемость колебалась от 15 до 43 мгО 2 /л. Колебания показателя обусловлены постоянным изменением состава органических соединений. В таких условиях трудно выбрать оптимальную дозу коагулянта, что способствует нестабильной работе осветлителей и дополнительной нагрузке на последующие стадии очистки. Введение таких дополнительных стадий очистки как озонирование, сорбция активированным углем и др. увеличивает эксплуатационные расходы и, соответственно, себестоимость очищенной воды.

Трудности в обеспечении населения России качественной питьевой водой привели к том, что это стало действительно государственной проблемой. Традиционно используемые способы получения чистой питьевой воды с использованием хлорирования, коагулирования, флотации, отстаивания и фильтрования, обладают следующими существенными недостатками:

• нестабильность качества очищенной воды;
• большие ресурсоёмкость и габариты оборудования;
• опасность образования канцерогенов при использовании хлорсодержащих реагентов при обеззараживании воды;
• большие расходы дорогих химических реагентов, а также решение задач организации их приготовления и хранения.

Ультрафильтрация лишена вышеперечисленных недостатков. С ее помощью вода очищается от взвешенных частиц, бактерий, вирусов, водорослей, коллоидов и высокомолекулярных органических соединений. Значительно увеличивается эффект осветления и степень извлечения органических соединений при предварительной коагуляции. Эффективность метода ультрафильтрации мало зависит от изменений дозы коагулянта, так как отфильтровывание образующихся хлопьев производится независимо от их размера. Также не требуется продолжительное время для формирования крупных хлопьев и отпадает необходимость в камере хлопьеобразования. Вода, очищенная с помощью метода ультрафильтрации, безопасна по микробиологии и обладает стабильно высоким качеством, которое не зависит от состава исходной воды.

Таким образом, достоинства метода ультрафильтрации - высокая эффективность очистки, низкие эксплуатационные затраты и надежность оборудования - делают его применение выгодным мероприятием. Специалисты компании Waterman помогут Вам его осуществить !

Наша компания предоставляет свои услуги по продаже, проектированию и установке систем водоочистки как промышленным производствам любого масштаба, так ичастным лицам. Мы работаем качественно и оперативно !

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.

Рекомендации по проектированию промышленной установки водоподготовки.

Промышленная система водоподготовки по результатам проведенных испытаний проектируется на элементах Hydracap 60, фирмы Hydranautics. Система ультрафильтрации воды производительностью 60м 3 /ч должна содержать не менее 17 элементов . Учитывая, что при проектировании системы водоподготовки обычно закладывается блочная конструкция установки, система должна содержать 3 блока по 6 элементов, т.е. 18 элементов. В случае выхода из строя одного из блоков, два других работают независимо, и могут обеспечить в аварийном режиме производительность до 51,6м 3 /ч обработанной воды.

Если требуется обеспечить резервирование системы очистки воды необходимо установить по 7 элементов на 1 блок. В аварийном режиме или во время проведения профилактических работ 2 блока по 7 элементов позволяют обеспечить производительность: 14 элементов Х 4,3м 3 /ч/элемент = 60,2м 3 /ч (удельный поток через поверхность ультрафильтрационной мембраны составит в этом случае 94 л/м 2 /ч). Кроме того, при проектировании установки ультрафильтрационной водоподготовки целесообразно заложить возможность размещения дополнительного резервного (8-го) элемента в каждом блоке. Допустимое время работы установки водоподготовки в аварийном режиме или режиме сервисного обслуживания составляет 24 часа. В случае необходимости более длительной работы установки на двух блоках возможно применение двух дополнительных мембран ультрафильтрации воды на каждом блоке. Время установки дополнительных мембран составляет 5-10 минут, без отключения фильтрации воды.

На каждом блоке необходимо установить насос подачи исходной воды, плюс один резервный насос на три блока.

Модули располагаются вертикально. Вода в них поступает с одного конца, а отводится - с другого. Количество модулей в одном фильтре обычно не превышает двух единиц. За счет этого требуется меньше прокладок, что уменьшает вероятность протечек. Вертикальные модули удобно обслуживать и тестировать. Их легко устанавливать и извлекать.

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:

1. 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.
2. Расход фильтрата - количество очищенной воды в единицу времени.
3. Удельный расход фильтрата - количество продукта, проходящего через 1 м 2 площади мембраны. Зависит от характеристик фильтрующего элемента и чистоты исходной воды.
4. Перепад давления на мембране - разность между давлением со стороны питания и со стороны фильтрата.
5. Проницаемость - отношение между удельным расходом фильтрата и перепадом давления на мембране.
6. 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.