Ультрафильтрация природных вод как метод получения питьевой воды. Ультрафильтрация воды Ультрафильтрация сточных вод

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:

1. 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.
2. Определено значение оптимального трансмембранного давления фильтрования (0,2 бар), которому соответствует максимальный поток фильтрата.
3. 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).
4. 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:

1. Гандурина Л.В., Буцева Л.В., Штондина B.C. Реагентный способ удаления соединений фосфора из сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2001. № 6.
2. Дедков Ю.М., Коничев М.А., Кельина С.Ю. Методы доочистки сточных вод от фосфатов // Водоснабжение и санитарная техника. 2003, № 11.
3. 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.
4. 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.
5. Майборода А.Б., Петров Д.В., Кичик В.А., Стариков Е.Н. // Мембраны и мембранные технологии. – 2013.

Способ, который набирает всё большую популярность в сфере борьбы с микроорганизмами. Эффективный и комплексный метод обеззараживания воды.

Ультрафильтрация для обеззараживания воды — это относительно новый способ, поскольку он известен уже давно. Просто другие способы — реагентное обеззараживание воды и некоторые физические методы обеззараживания воды являются более старыми. Но и менее совершенными — с некоторых точек зрения. Начнём с определения.

Ультрафильтрация — это способ очистки воды, одновременная безреагентная дезинфекция и осветление воды. При ультрафильтрации из воды удаляются нерастворимые примеси.

Принцип ультрафильтрации в общем

Принцип технологии ультрафильтрации состоит в том, что через полупроницаемый барьер под определённым давлением продавливается вода. Отверстия в барьере меньше по размерам, чем вирусы и прочие нерастворимые примеси. Соответственно, всё, что больше вирусов, отсеивается.

Кроме того, не следует забывать, что для обработки воды ультрафиолетовым излучением необходима специальная подготовка воды — которая может не проводиться при обеззараживании при помощи ультрафильтрации.

Степень фильтрации на установках ультрафильтрации бывает разной. Это диапазон от 0,01 микрона (десятитысячная миллиметра) до 0,001 микрона. Этот показатель необходимо выяснять при покупке. Так, если производитель говорит, что ультрафильтрация, которую он предлагает, удаляет все вирусы из воды, а размер пор составляет 0,01 микрон, то это неправда. Существуют вирусы и меньшего размера. Для полного удаления вирусов необходимы диаметры примерно 0,005 микрон.

То есть, ультрафильтрация — исключительно физический способ очистки воды, без постоянного применения химических реагентов.

Далее, если производитель говорит, что у него микрофильтрационная мембрана (например, трековая), и она удаляет вирусы и споры бактерий, то это неправда. Так как отверстия в микрофильтрационной мембране БОЛЬШЕ, чем споры бактерий и вирусы. Споры бактерий удаляются на ультрафильтрационной мембране. И полностью.

Таким образом, технология ультрафильтрации эффективнее обеззараживает воду, чем ультрафиолетовое излучение. Кроме того, для обработки воды с помощью ультрафильтрации нет необходимости серьёзно предподготавливать воду. Достаточно 30 микронного предварительного фильтра механической очистки воды.

Большой плюс технологии ультрафильтрации — это комплексная технология. И если химическое обеззараживание и ультрафиолет отвечают за обеззараживание и в какой-то мере слипание частиц, то технология ультрафильтрации кроме обеззараживания выполняет функцию осветления воды. То есть, до очистки вода была мутной и с бактериями, а после неё — прозрачная и продезинфецированная.

Существует две большие группы аппаратов ультрафильтрации.

Первая группа — питьевые системы , которые устанавливаются под кухонную мойку. Скорость очистки воды с помощью бытовой системы ультрафильтрации чаще всего составляет 2-3 литров в минуту, но бывает и больше. То есть, вода подготавливается в количестве, нужном для питья и приготовления пищи. Чаще всего питьевые системки на основе ультрафильтрции устроены по типу многоступенчатых систем обратного осмоса. Те же колбы, только вместо мембраны осмоса стоит мембрана ультрафильтрации. И нет накопительного бачка.

То есть, аппарат состоит не из голой ультрафильтрационной мембраны, а ещё и из нескольких ступеней предварительной очистки воды (чаще всего , ). То есть, бытовая система ультрафильтрации удаляет не только бактерии-вирусы, но и механические примеси, хлор, хлор-органические соединения.

Мембраны ультрафильтрации для питьевых систем могут быть керамическими и органическими. Чаще всего они организованы по типу полых волокон, внутри которых протекает грязная вода, а фильтрация проихсодит изнутри наружу. Керамические мембраны более долговечны. Однако, и у тех, и у других существует свой ресурс, после которого их нужно заменить. На показатель ресурса так же необходимо обращать внимание при выборе аппарата.

Вторая группа — системы ультрафильтрации с большой производительностью — от 500 литров в час. Эти системы предназначены для очистки воды на целый , коттедж , квартиру, ресторан, производство. Промышленные ультрафильтрационные установки могут организовываться как по типу полых волокон, так и в виде спиральной навивки.

Ультрафильтрация для дома, квартиры может использоваться не только дом или квартиру. В чистой продезинфицированной воде необходима для многих отраслей — для производства, для медицинских учреждений, для бассейнов и так далее. В любом из этих случаев используются практически одинаковые мембранные модули.

Важно, что основной рабочий элемент ультрафильтрационного аппарата — мембрана ультрафильтрации — нуждается в периодическом обеззараживании. Если она не керамическая. Бактерии любят материал, из которого сделана мембрана, и начинают его есть. Ну, и сначала мембрана превращается в микрофильтрационную, а затем в обычный механический фильтр.

Чтобы этого не происходило, необходимо регулярное обеззараживание мембраны. Частоту обеззараживания мембраны расчитывают специалисты на основе бактериального анализа воды. Керамическая мембрана может служить практически вечно, так как её не могут повредить бактерии, и она легко может отмываться агрессивными моющими средствами. Так что, если есть возможность, лучше использовать керамические мембраны ультрафильтрации.

Если нет, то нужно сравнивать между собой доступные органические мембраны. И выбирать наиболее производительную и наиболее долговечную мембрану. Даже если она дороже, выгоднее приобретать ту, которая служит дольше. Так экономические расходы получаются намного меньше.

Итак, ультрафильтрация — это экономичный и надёжный способ обеззараживания воды.

По материалам Выбор фильтров для воды : http://voda.blox.ua/2008/06/Kak-vybrat-filtr-dlya-vody-20.html

Ультрафильтрация - это мембранный процесс разделения растворов, осмотическое давление которых мало. Этот метод используется при отделении сравнительно высокомолекулярных веществ, взвешенных частиц, коллоидов и др. Ультрафильтрация, по сравнению с обратным осмосом, более высокопроизводительный процесс, так как высокая проницаемость мембран достигается при давлении 0,2--1 МПа.

В зависимости от целей ультрафильтрационного процесса мембраны пропускают:

растворитель и только низкомолекулярные соединения (разделения высоко- и низкомолекулярных соединений и концентрирование высокомолекулярных соединений);

только растворитель (концентрирование высокомолекулярных соединений);

растворитель и фракции высокомолекулярных соединений с определенными молекулярной массой или размером макромолекулярных клубков (фракционирование полимерных соединений).

Ультрафильтрация, в отличие от обратного осмоса, применяют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного большая за молекулярную массу растворителя (воды). На практике ультрафильтрацию используют тогда, когда хотя бы один из компонентов раствора имеет молекулярную массу свыше 500 дальтон.

Движущей силой процесса ультрафильтрации, как и обратного осмоса, есть различие давлений с обеих сторон мембраны, но, поскольку осмотические давления растворов высокомолекулярных соединений, как правило, низкие сравнительно с рабочим давлением, то во время определения параметров ультрафильтрации их не учитывают. Если ультрафильтрационная мембрана не способная задерживать низкомолекулярные соединения (в особенности электролиты), то и в этом случае осмотические давления растворов низкомолекулярных соединений также не учитываются во время определения движущей силы процесса. За высоких концентраций растворов полимеров, когда осмотические давления достигают значений, соизмеримых с рабочим давлением, движущую силу определяют за уравнением

Р=Р -1.

Эффективность ультрафильтрационного разделения растворителей веществ определяют за конкретным соотношением двух основных составных процесса - равновесной и неравновесной. Если взнос равновесной составной, что выражается через коэффициент распределения раскрытого вещества между мембраной и раствором, будет меньшим, то за всех других одинаковых условий мембрана лучше будет задерживать данное растворенное вещество. В случае ультрафильтрации основной взнос в определении величины коэффициента распределения принадлежит стеричним ограничением, обычно с учетом важной роли поверхностных свойств мембран (гидрофильности, заряда, химической природы функциональных групп и т.п.).

Реализация неравновесной составной процесса, когда мембрана находится в системе, где существует градиент концентрации и давления с обеих ее сторон, также имеет особенности сравнительно с обратноосмотическими мембранами. Это связано с высокой проницаемостью сравнительно крупнопористых (диаметр пор 5-500 нм) ультрафильтрационных мембран и низкими коэффициентами диффузии макромолекул и коллоидов в растворе, которые на несколько порядков ниже, чем низкомолекулярных соединений. Диффузное перенесение раскрытых высокомолекулярных соединений и коллоидов чрезвычайно маленькое, и эта особенность предопределяет практически неминуемое их накопление на поверхности ультрафильтрационных мембран (гелеобразование), что существенным образом изменяет поровую структуру и свойства мембраны. Эти изменения оказываются в значительном или катастрофическом снижении объемного потока растворителя сквозь мембрану и возрастании коэффициента задерживания, то есть гелиевый пласт способный к самозадержанию и фактически выполняет роль мембраны.

Итак, решения конкретной задачи ультрафильтрационного разделения часто состоит в компромиссном решении: использования менее проницаемой мембраны, но такой, что имеет высокую степень монодисперсности пор, определенный заряд поверхности или степень гидрофильности.

В отличие от обратного осмоса, когда в случае повышения задерживания мембранами их проницаемость уменьшается, во время ультрафильтрации в зависимости от условий процесса эти характеристики могут одновременно повышаться и снижаться.

Основные параметры разделения - задерживание и производительность определяются верхним активным (селективным) пластом мембраны. Маленькая его толщина предопределяет низкое гидродинамическое сопротивление потоку фильтрата и, значит, высокую проницаемость. Изменяя коллоидно-химические свойства этого пласта (пористость, гидрофильность, заряд поверхности и т.п.), можно дополнительно регулировать его задерживание и проницаемость.

В отличие от обратноосмотических мембран, которые обязательно должны быть гидрофильными (это связано с механизмом опреснительного действия мембран), ультрафильтрационные мембраны, как правило, имеют низкую гидрофильность или даже гидрофобные.

Преимуществами методов гипер- и ультрафильтрами являются: простота аппаратуры; возможность разделения растворов при нормальной температуре, выделения цепных продуктов, одновременной очистки воды от органических, неорганических и бактериальных загрязнений; малая зависимость эффективности очистки от концентрации загрязнений в воде. Наряду с этим имеются и существенные недостатки. К ним относится явление концентрационной поляризации, заключающееся в увеличении концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны вследствие преимущественного переноса через нее растворителя, а также необходимость проведения процесса при повышенном давлении в системе.

Промышленные аппараты обратного осмоса и ультрафильтрации.

В настоящее время применяют следующие типы аппаратов, различающиеся способом размещения мембран.

• 1. Аппараты пита "фильтр-пресс" с плоскокамерными фильтрующими элементами. Применяют при невысокой производительности установок. Пакет фильтрующих элементов зажимается между двумя фланцами и стягивается болтами. Основной недостаток этих аппаратов - невысокая удельная площадь поверхности мембран (60--300м 2 на 1м 3 объема аппарата) и большая металлоемкость.
• 2. Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами (рис.3.3). Имеют ряд преимуществ: простота конструкции, малая металлоемкость, легкость турболизации раствора. Недостаток аппаратов: невысокая удельная площадь поверхности мембран (100--200 м 2/м 3), трудность замены вышедших из строя мембран.

3. Аппараты с фильтрующими элементами рулонного или спирального типа.

Имеют большую удельную площадь поверхности мембран (300-800 м 2/м 3). Полупроницаемая мембрана с подложкой свернута в виде спирали и образует цилиндрический модуль диаметром до 100мм и длинной до одного метра (рис. 3.4). Один модуль системы "Галф-Аяко" с площадью поверхности мембраны 4,65м 2 и объемом около 0,007 м 3 имеет пропускную способность примерно 1,8 м 3 воды в сутки. Недостаток этих аппаратов - сложность монтажа и смены мембран.

4. Аппараты с мембранами: из полых волокон малого диаметра (45 - 200 мкм). Волокна (из ацетатцеллюлозы, нейлона и др.) собираются в пучки длинной 2 - 3м, которые прикрепляются к стенкам аппарата с помощью эпоксидной смолы (рис.3.5).

Удельная площадь поверхности мембран в этих аппаратах достигает 20 000 м 2/м 3. Расположение волокон может быть линейным, что требует заделки в две трубные решетки, или U - образным с заделкой в одну трубную решетку. Модель фирмы "Дюпон" имеет диаметр 35,5см, длину 1м и содержит 900 000 волокон общей поверхностью около 1700м 2.

Аппараты с мембранами из полых волокон компактны и высокопроизводительны. Недостаток аппаратов - трудность замены поврежденных волокон. Если разделяемый раствор протекает внутри волокон, то необходима тщательная очистка его от механических загрязнений.

Характеристика установки фирмы "Дюпон" производительностью 40м 3 очищенной воды в сутки приведена ниже:

Выпускаются установки производительностью 5--1000м 3/сутки.

Примеры применения метода обратного осмоса и ультрафильтрации

Обратный осмос и ультрафильтрация могут успешно использоваться для очистки сточных вод химических, нефтехимических, целлюлозно-бумажных и других производств.

Результаты исследований по очистке и концентрированию сточных вод методом обратного осмоса при давлении 4,1МПа представлены в таблице 1

Из приведенных данных видно, что метод обратного осмоса обеспечивает эффективную очистку сточных вод от минеральных примесей. Получаемый концентрированный раствор может быть направлен на регенерацию для извлечения и использования ценных примесей. Метод гиперфильтрационной очистки является перспективным для регенерации солей тяжелых металлов из сточных вод.

С помощью ацетатцеллюлозных мембран удастся концентрировать хромсодержащие сточные воды гальванических производств в 50 - 100 раз при оптимальном давлении 8 - 10 МПа. На установке обратного осмоса достигнута 93 %-ная эффективность очистки сточных вод от хрома. Полученный концентрированный раствор направляют затем на катионитовые фильтры для очистки от ионов Na+, Ca+, Fe2+ и Fe3+ и возвращают в производство.

Экспериментальные данные показывают, что при давлении 3 - 3,5МПа и селективности мембран по NaCl, равной 93,5 %, обеспечивается солезадержание по растворам K2Cr2O7, CuSO4 и ZnSO4 на 96,5 - 99,0%.

На промышленной установке производительностью 0,45 м 3/ч, работающей под давлением 3 МПа, из сточных вод гальванического производства извлекаются NiCl2 и NiSO4. Полученные соли никеля вновь используются в производстве. Смена ацетатцеллюлозных мембран проводился oдин раз в 1,5 года.

С помощью полупроницаемых мембран можно концентрировать растворы щелочей, аммонийных, фосфатных и нитратных солей при производстве удобрений, глицерина, спирта и др.

Метод обратного осмоса может быть успешно использован для "третичной" очистки сточных вод от соединений фосфора и азота. Результаты длительной эксплуатации полупромышленной установки обратного осмоса для очистки бытовых сточных вод показали, что содержание фосфора снижалось на 94%, аммиака - на 90 % и нитратов - на 64 %.

Очистка сточных вод обратным осмосом без их предварительной обработки проводится на опытной установке в Сан-Диего (США). Растворенные соли удаляются из воды более чем на 95%, а щелочно земельные элементы, нитрат-, фосфат- и сульфат-ионы - более чем на 98%. После очистки вода не является питьевой, но может употребляться в сельском хозяйстве и промышленности, в том числе в системах оборотного водоснабжения. Использование необработанных вод прводило к механическим повреждениям мембран твердыми частицами загрязнений и высокой степени износа питательных насосов. Во избежание этого введено предварительное фильтрование сточных вод через стенку, а также покрытие мембран прочным составом.

В результате применения обратного осмоса для очистки сточных вод загрязненных радиоактивными веществами, активность воды в большинстве случае снижается на 2 - 3 порядка.

Ультрафильтрация в промышленных масштабах применяют для регенерации солей серебра из растворов, образующихся в производстве фотоэмульсий.

Стоимость очистки воды зависит от производительности установки и степени извлечения ценных примесей. Следует отметить, что стоимость смены мембран весьма высока и составляет от 4 до 12 долларов за 1м 2. Тем не менее затраты на очистку воды обратным осмосом и ультрафильтрацией, особенно на крупных установках, не превышает стоимости очистки воды широко известными методами.

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.

Ультрафильтрация сточных вод все чаще используется вместо методов ее очищения с помощью традиционных фильтров, поскольку позволяет более эффективно удалять из них мельчайшие примеси. Суть ее состоит в том, что загрязненная жидкость «продавливается» под давлением через специальные мембраны, размер пор которых очень мал. Он составляет от 5 манометров до 0,1 микрометров, что существенно меньше, чем размеры любых нерастворимых примесей, включая микроорганизмы и даже вирусы. Проходя через такое «сито» они отсеиваются, причем значительная их часть остается непосредственно на поверхности такой мембраны, образуя, тем самым, дополнительный фильтрующий слой. Именно это, наряду с очень маленькими размерами отверстий, и отличает ультрафильтрацию от фильтрации обычной.

Практика показывает, что на сегодняшний день именно эта технология является наиболее эффективным методом очистки сточных вод от:

• Коллоидных примесей;
• Тонкодисперсных примесей;
• Органики;
• Бактерий;
• Вирусов.

Важно, что в процессе ультрафильтрации воды полностью сохраняется ее солевой состав.

Общие задачи ультрафильтрации воды

Очистка сточных вод методом ультрафильтрации производится уже достаточно давно: первые специализированные установки появились еще в 60-х годах прошлого века. Основная задача этого процесса - кардинальное улучшения качества воды, причем как той, которая после очистки попадает в окружающую среду (водоемы, почву), так и то, которая предназначается для повторного использования в технологических процессах промышленных предприятий.

Особую актуальность ультрафильтрация приобрела в последние годы. Дело в том, что хотя согласно действующим требованиям и нормам сточные воды должны проходить такую очистку, после которой содержание в них примесей не должно превышать определенных (причем довольно строгих) нормативов, традиционными способами обычной фильтрации достичь этих показателей во многих случаях уже не удается. Технологические стоки многих промышленных предприятий содержат большое количество очень мелких взвешенных механических частиц, органики, микроорганизмов, которые легко «проскакивают» через традиционные фильтры. Эффективно уловить их можно, только используя ультрафильтрацию.

Эта технология находит ныне все боле широкое применение в следующих сферах:

• Очистка поверхностных вод;
• Водоочистка промышленных стоков;
• Очистка и вторичное использование канализационных стоков;
• Водоподготовка перед установками обессоливания.

Поверхностная вода, очищенная методом ультрафильтрации, позволяет обеспечить ее самое высокое качество, причем с минимальными эксплуатационными затратами. Водоочистка промышленных стоков этим методом дает великолепный эффект во многих отраслях, например, в такой «водоемкой», как горное дело. Согласно статистическим данным с помощью современных установок ультрафильтрации удается создать практически полностью замкнутый цикл технологического водоснабжения многих предприятий, что означает очень существенную экономию весьма ограниченных ресурсов пресной воды: до 80% потребностей предприятий в воде покрывается за счет очищенной этим способом воды оборотной.

Очень хорошие результаты дает и вторичное использование очищенных с помощью ультрафильтрации канализационных стоков: они успешно применяются в качестве технологической воды на промышленных предприятиях. Наконец, если по этой технологии подготавливать воду перед процедурой е обессоливания, то можно сэкономить немало коагулянтов, существенно снизить загрязнение ионообменных смол и мембран.

Способы ультрафильтрации воды

Ультрафильтрация воды производится специальными установками, которые подразделяются на бытовые и промышленные. Те, что используются в быту, представляют собой очень компактные системы, которые устанавливаются обычно под раковинами. Они фильтруют, конечно же, не сточную, питьевую воду, которая поступает в жилье по системам водоснабжения.

Скорость ультрафильтрации, которую они обеспечивают, составляет до 20 литров в минуту, чего вполне достаточно для обеспечения потребности в высококачественной питьевой воде обычной семьи. Следует заметить, что эти ультрафильтрационные установки представляют собой самопромывные аппараты, и предназначены, прежде всего, для удаления содержащихся в водопроводной воде бактерий, микробов, а также вредных для здоровья человека хлорорганических соединений. В них используются керамические или же органические мембраны, причем первые гораздо более долговечны: срок их службы составляет до 10 лет, в то время как органические приходят в негодность уже через один год.

Что касается промышленных установок ультрафильтрации, то они обрабатывают именно сточные воды. Они состоят из отдельных модулей, которые собираются в кассеты, а что касается производительности, то она составляет до 150 кубометров и более в час. В промышленных ультрафильтрационных установках используются только керамические мембраны, причем в зависимости от модели и особенностей конструкции систем эти элементы могут иметь самую различную форму (плоскую, трубчатую и т.п.).

Особенности ультрафильтрации сточных вод

Если система ультрафильтрации предназначена для очистки сточных вод, то лучше всего обеспечить ей соответствующую предварительную водоподготовку. Для того чтобы она лучше справлялась со своими «прямыми обязанностями», состоящими в удалении самых мелких частиц, предпочтительнее всего через нее пропускать те стоки, из которых уже удалены «крупногабаритные» примеси. Таким образом, ее следует размещать в качестве последней ступени водоочистки, например, просто заменив установкой ультрафильтрации воды ультрафиолетовый излучатель, в наличии которого просто отпадает всякая необходимость.

Статья подготовлена специалистами компании «ЭкоТех»
Сайт компании: knsnn.ru