Процесс ультрафильтрационной очистки воды

         Для очистки воды (жидкостей) от гетерогенных примесей, таких как взвешенные вещества различной природы, глины, мел, коллоиды железа и марганца и т.д. наибольшее распространение получили мембраны ультра- и микрофильтрации на основе полимеров ПВДФ и полисульфона.

         Мембраны имеют размер пор от 0,1 до 0,01 мкм и позволяют сконцентрировать на поверхности находящиеся в воде загрязнения и получить очищенную воду на выходе.

         Наибольшее распространение получили мембраны двух видов. В первом варианте вода подается снаружи половолоконной мембраны, а отфильтрованная вода отводится через внутренний капилляр. Такие мембраны чаще всего применяются для сильнозагрязненных вод, к тому же их немного легче регенерировать с помощью обратных промывок. Схема движения воды в мембране изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема движения воды в половоконном элементе снаружи-внутрь

         Второй вариант исполнения мембран так же представляет собой полое волокно, но движение жидкости осуществляется изнутри-наружу. Преимуществом данного способа является возможность создание высоких скоростей в капиллярных каналах и снижение скорости образования отложений на мембране. Схема движения воды в мембране изображена на рисунке 2.

Рисунок 1 – Схема движения воды в половоконном элементе изнутри-наружу

В процессе фильтрации воды на поверхности мембран образуются достаточно плотные осадки, которые удаляются путем обратной промывки мембран очищенной водой. Часто дополнительно применяют различные реагенты (кислота, щелочь, гипохлорит) и воздух для усиления обратной промывки.

Со временем часть осадков прочно закрепляется на поверхности мембран и не удаляется путем промывок. В этом случае проводят химическую мойку мембран с помощью тех же реагентов, но более длительное время, иногда с повышением температуры моющего раствора. Обычно данные процедуры позволяют вернуть первоначальные свойства мембран.

Основной особенностью ультра- и микрофильтрационных мембран является низкое гидравлическое сопротивление и небольшой перепад давления на элементах (до 1,5 атм). Поэтому очень важно в процессе эксплуатации отслеживать данные параметры, что бы не повредить полые волокна промывками с повышенным давлением.

         Процесс ультра- и микрофильтрации осуществляют в двух режимах: тупиковом и тангенциальном.

При тангенциальном режиме достигаются больший межпромывочный период, так как на загрязнения действует два вектора силы, один из них увлекает их вдоль мембраны, вторая притягивает к поверхности, так как осуществляется отбор очищенной воды. Поэтому в отличии от тупикового режима (фильтруется вся вода) загрязнениям сложнее образовывать плотные осадки на поверхности мембран. Но такой режим рационален в определенных ситуациях, когда в воде содержится большое количество загрязнений, так как создание такого режима в аппарате влечет за собой дополнительные затраты на электроэнергию или повышенный расход воды на собственные нужды (коэффициент использования воды составляет не более 50-60)%.

Схематично оба режима представлены на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3 – Схема движения воды в мембранном элементе в тупиковом режиме

1 – подающий насос, 2 – рабочая камера, 3 – мембранный элемент, 4 – запорный кран

Вода поступает в рабочую камеру 2, где образуется концентрат из загрязнений, а профильтровавшаяся через мембрану 3 вода отводится из аппарата. Кран 4 служит для сброса накопившихся загрязнений во время регенерации.

Рисунок 4 – Схема движения воды в мембранном элементе в тангенциальном режиме

1 – подающий насос, 2 – рабочая камера, 3 – мембранный элемент, 4 – запорный кран

Вода поступает в рабочую камеру 2, где образуется концентрат из загрязнений, который удаляется в канализацию (накопительную емкость) или возвращается на всасывающую линию насоса для дальнейшего концентрирования, а профильтровавшаяся через мембрану 3 вода отводится из аппарата. Кран 4 служит для регулирования соотношения сброса сконцентрированной и отфильтрованной воды.

Процессу ультр- и микрофильтрации нашли широкое применение во многих областях:

1. Разделение различных растворов на гетерогенную и жидкую составляющую, например, концентрирование соков, патоки, бад, отделение механических примесей из оборотной воды для обрабатывающих станков и пр.
2. Подготовка питьевой воды для ЖКХ из поверхностных и подземных источников
3. Производство бутиллированной воды, подготовка воды (осветление, стерилизация) для производства соков, пива, водки и пр.
4. Очистка сточных вод и растворов от различных загрязнений, например, взвешенных веществ, коллоидов, биологических остатков и пр.

Ниже приведена таблица возможностей фильтрационных процессов (рисунок 5):

Рисунок 5 – Сравнительная таблица фильтрационных процессов

Как видно из таблицы ультра- и микрофильтрация позволяет удалить из воды гетерогенные примеси размером от 5 до 0,01 мкм. В данную категорию попадают также бактерии и вирусы.

Данная технология является очень перспективной в области подготовки воды для питьевых целей, производства пищевых продуктов и применения в промышленных целях, в тех случаях, когда не требуется изменять солевой состав воды, но, тем не менее, необходимо обеспечить ее осветление и стерильность.

Для очистки воды от эмульгированных нефтепродуктов и жиров ультрафильтрация является одним из самых эффективных методов, обладающим компактностью и минимальным потреблением реагентов для осуществления регенерации мембран.

Процесс мембранного разделения воды на очищенную воду и концентрат (сбросная вода) осуществляется на специальных установках.

         Схема процесса приведена ниже на рисунке 6.

Рисунок 6 – Упрощенная схема установки микро- и ультрафильтрации

Основными узлами установки являются:

1. Станция дозирования коагулянта, флокулянта, окислителей
2. Механический фильтр
3. Повысительный насос (может не входить в схему)
4. Мембранные элементы и их корпуса
5. Запорно-регулирующая аппаратура
6. Автоматика и КИП
7. Блок химической регенерации мембран
8. Бак-накопитель чистой воды

Дозирование реагентов перед мембранными элементами является необходимой мерой, направленной на укрупнение взвешенных частиц поступающих на фильтрацию, так как их проще задержать на мембране и затем легче удалить при регенерации. Дозирование окислителя применяется в случаях бактериологического загрязнения воды, например, это требуется для сточных и поверхностных вод.

Механический фильтр позволяет задержать крупные взвешенные частицы и тем самым снизить нагрузку на мембранные элементы.

Повысительный насос требуется в случаях если не достигается необходимо давление для фильтрации или требуется обеспечить процесс тангенциального фильтрования с частичным возвратом воды на концентрирование.

Мембранные элементы имеют различную форму и два типа фильтрации. Обычно состоят из пучка половолоконных мембран и полимерной обечайки со штуцерами ввода и вывода воды.

Необходимой составляющей является блок промывки мембран, состоящий из насоса подачи очищенной воды в мембранные элементы, компрессора для проверки целостности мембран, дозирующих насосов для подачи реагентов.

Основой управления процессами ультра- и микрофильтрации является оборудование КИП и автоматики, сердцем которой является программируемый контроллер. С помощью заложенной в него программы осуществляются процессы фильтрации, обратной промывки и регенерации.

         При использовании микро- и ультрафильтрационных мембран необходимо учитывать их технические характеристики и состав воды:

1. Мембраны мало чувствительны к наличию окислителей в воде (хлор, оксид хлора, гипохлорит, перманганат), но при повышенных дозах (до 100-200 мг/л) могут деградировать, так как в данном случае происходит разрушение поверхностного селективного слоя на мембранах, что приводит к снижению их селективности и производительности
2. Постоянство производительности и качества фильтрата должно обеспечиваться своевременными гидравлическими промывками, иначе процесс угнетения мембран будет происходить с большей скоростью и может привести к выходу из строя оборудования
3. В большинстве случаев из 1 м³ исходной воды удается получить 0,9-0,95 м³ очищенной воды, но в отдельных случаях удается извлечь только 0,5-0,7 м³. В целом, чем больше сброс концентрата по отношению к получаемому фильтрату и чаще обратные промывки, тем эффективнее и дольше будет работать мембранная установка
4. Основным условием долгой и безаварийной работы мембранных установок являются правильно подобранное оборудование и технология с учетом анализа исходной воды, а так же соблюдение всех требований производителя во время эксплуатации оборудования. Если оба этих условия будут выполнены, то установки могут работать долгие годы без капитальных ремонтов и аварийных ситуаций