Водоподготовка > Ультрафильтрация

Общее описание технологии ультрафильтрации

Ультрафильтрационная технология разделения растворов известна давно, она успешно применяется в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности, однако в сфере водоснабжения об этом методе всерьез заговорили всего три-четыре года назад.

Переход к ультрафильтрации вызван рядом причин, прежде всего – неудовлетворительным качеством питьевой воды в городах, связанным с ограниченными возможностями существующих очистных сооружений.
Песчаные зернистые фильтры, входящие в состав всех станций водоподготовки, часто не в состоянии задержать очень мелкие частички (коллоиды), болезнетворные бактерии и вирусы, обычно развивающиеся в этих фильтрах.
Именно на ультрафильтрационные мембраны «возложили» обязанность доочистки питьевой воды, ведь эти мембраны имеют поры размером 0,01–0,1 микрон, позволяющие задерживать бактерии и вирусы.

Большинство современных полимерных мембран устойчивы к воздействию микроорганизмов и химических соединений в широком диапазоне рH, обладают высокой селективностью и производительностью, допускают кратковременное воздействие сильных окислителей: свободного хлора, озона. Свойства мембран лишь незначительно ухудшаются в течение всего срока службы, который составляет 5 и более лет.

Капиллярные или половолоконные элементы состоят из пучков тонких полимерных трубчатых мембран диаметром 0,7–2,0 мм, фильтрование может производится «изнутри-наружу» или «снаружи-вовнутрь». Они характеризуются довольно высокой плотностью «упаковки» мембран (площадь мембран в одном модуле может достигать 50–60 м 2), высокими удельными потоками и хорошей гидродинамикой внутри волокон, что выражается в меньшей склонности к засорению внутренних напорных каналов мембран.

Устройство и внешний вид половолоконного ультрафильтрационного модуля.

Ультрафильтрационные мембраны и аппараты

Ультрафильтрация – это баромембранный процесс, заключающийся в том, что жидкость под давлением «продавливается» через полупроницаемую перегородку. Размер отверстий (пор) ультрафильтрационных мембран лежит в пределах от 5 нм до 0,05–0,1 мкм. Главное отличие мембраной фильтрации от обычного объемного фильтрования в том, что подавляющее большинство всех задерживаемых веществ накапливается на поверхности мембраны, образуя дополнительный фильтрующий слой осадка, который обладает своим сопротивлением.

Наиболее экономичный режим работы ультрафильтрационных установок – «тупиковый», когда вся исходная вода пропускается через мембрану. В ряде случаев для борьбы с ростом осадка над поверхностью мембраны создают дополнительный поток из обрабатываемой жидкости, который размывает накапливающийся осадок. Жидкость, содержащая удаленные с поверхности мембраны загрязнения, выводится из разделительного аппарата. Для более эффективного удаления загрязнений с поверхности и из пор мембраны используют метод обратных промывок, при котором очищенную воду (фильтрат) пропускают через мембрану в направлении, обратном направлению фильтрования. Такие промывки производятся намного чаще, чем промывки обычных фильтров с зернистой загрузкой – от 1 до 5 раз в час, но их продолжительность составляет всего 10–30 секунд, поэтому объем сбрасываемой воды составляет 2–5 % от объема фильтрата.

Для предотвращения биологического зарастания ультрафильтрационных мембран в воду для обратной промывки мембранных элементов добавляют дезинфектант, чаще всего, гипохлорит натрия.

В процессе длительной работы производительность мембранных аппаратов постепенно уменьшается, т. к. на поверхности и в порах мембраны 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.

В качестве материала для изготовления ультрафильтрационных мембран в основном используются полимерные вещества – ацетат целлюлозы, полисульфон, полиэтерсульфон, полиамид, полиимид, поливинилиденфторид, полиакрилонитрил и их производные. Большинство ультрафильтрационных мембран – асимметричные, они состоят из тонкого селективного слоя толщиной несколько десятков мк или менее и пористой подложки, которая обеспечивает механическую прочность. Полимерным мембранам при их изготовлении могут придаваться разнообразные свойства, что позволяет управлять их селективными характеристиками и устойчивостью к загрязнению различными веществами.

Применение и установки

Первое направление – использование ультрафильтрации в качестве альтернативы традиционным методам обеззараживания: обычные ультрафильтрационные мембраны с размером пор 0,01–0,05 мкм служат надежным барьером для патогенных микроорганизмов и вирусов.
Они позволяют достичь 99,99%-го удаления вирусов и цист патогенных микроорганизмов, в том числе Giardia и Cryptosporidium, и практически 100%-го задержания бактерий и простейших.

Такие системы ультрафильтрационной очистки главным образом служат для обработки воды из подземных источников неглубокого залегания, их задачей является безреагентное обеззараживание и осветление воды при периодических повышениях мутности и микробиологической загрязненности воды, происходящих после дождей и весеннего снеготаяния.

Второе направление связано с предочисткой перед обратным осмосом в схемах умягчения, опреснения и обессоливании поверхностных вод для нужд питьевого водоснабжения, промышленности и энергетики.

Используя ультрафильтрацию вместо традиционной схемы водоподготовки, включающей коагуляцию, отстаивание и многоступенчатое фильтрование, можно получить воду с очень низким содержанием взвешенных и коллоидных веществ и в результате повысить производительность и продолжительность службы обратноосмотических мембран, сократить частоту их химических промывок.
Наибольший интерес представляет третье направление развития ультрафильтрации – использование ее как альтернативного высокотехнологичного процесса в схемах очистки и кондиционирования природной воды. Главное достоинство данной области применения мембранной технологии заключается в возможности получения высоких эффектов очистки без использования дополнительных стадий обработки воды и реагентов.

Ультрафильтрационные мембраны обеспечивают более тонкую очистку воды от взвешенных и коллоидных веществ, чем скорые фильтры, и вместе с тем позволяют обрабатывать воду с высокой мутностью без ухудшения качества фильтрата.
Этот эффект достигается благодаря особой конструкции мембранных аппаратов и применению различных режимов их эксплуатации. Низкий расход промывных вод (обычно не более 5 %) делает эту технологию более привлекательной.

Для работы ультрафильтрационной установки необходим перепад давления на мембране всего 5–10 м, поэтому энергопотребление таких систем (от 0,2 до 0,5 кВт•ч/м 3 [5]) сопоставимо с энергопотреблением традиционных методов фильтрования.

Примеры применения ультрафильтрационной технологии, а именно:

– очистка поверхностной воды на водопроводных станциях;

– доочистка воды городского водопровода;

– обезжелезивание и улучшение качества подземных вод;

– подготовка воды для технического водопровода на предприятиях.

Как было сказано выше, во всем мире уже работают водопроводные станции, модернизированные или вновь построенные с использованием ультрафильтрации. Доступность этого метода очистки для городских систем водоподготовки подтверждается цифрами: по данным фирмы «Дегремон», себестоимость питьевой воды, полученной с помощью ультрафильтрации, составляет от 0,03 до 0,25 евро/м 3, а общие затраты с учетом замены мембран оцениваются на уровне 0,5–0,6 евро/м 3 [6].

Другое достоинство данной технологии – ее гибкость, возможность адаптироваться к изменяющемуся качеству исходной воды. Наконец, одним из решающих факторов является высокая степень обеззараживания воды в сочетании с высокой надежностью сохранения этого показателя в процессе эксплуатации.
Извлечение из воды микроорганизмов происходит на основе ситового механизма, что гарантирует высокую эффективность этого метода (для сравнения: размер пор УФ-мембран – 0,005–0,02 мкм, размер цист Giardia и Cryptosporidium – 5-15 мкм, Escherichia coli – 0,5 мкм, бактерии Salmonella, Shigella, Legionella – 0,3-1,5 мкм, вирусов – 0,01–0,03 мкм).

Использование предварительной коагуляции перед подачей воды на ультрафильтрационную установку позволяет повысить эффект очистки примерно в два раза.

Интегрирование ультрафильтрации в традиционную схему очистки поверхностных вод может осуществляться на различных стадиях технологической цепочки. На существующих станциях мембранные установки ультрафильтрации наиболее эффективно применять после отстойников вместо скорых фильтров. Для защиты мембран от засорения крупными частицами перед ультрафильтрационной установкой помещают фильтр предочистки – самопромывающийся сетчатый фильтр с размером ячеек 100–200 мкм.

Использование мембранных установок дает следующие преимущества:

– повышает эффективность проведения процесса коагуляции и отстаивания, обеспечивая эффект очищенной воды даже при сниженных дозах коагулянта и неполной коагуляции;

– позволяет отказаться от первичного хлорирования, что, соответственно, снижает опасность образования хлорорганических соединений;

– снижает общую хлороемкость очищенной питьевой воды и, соответственно, дозу хлора. Задача хлорирования очищенной воды сводится к защите от повторного размножения бактерий в водопроводной сети.

Тем не менее, пока до широкого внедрения новых технологий далеко, качество воды в городских квартирах часто оставляет желать лучшего. А для создания комфортного уровня жизни необходима не только питьевая вода высокого качества, но также наличие чистой и прозрачной воды для душа, умывальника, стиральной и посудомоечной машины.

В первую очередь ухудшению потребительских свойств воды, льющейся из крана, мы обязаны неудовлетворительному состоянию городских водопроводных сетей. При перебоях в подаче воды в ней появляется большое количество окалины и ржавчины, поступающей из корродирующих водопроводных труб. Периодическое появление желтовато-бурой воды характерно и для квартир в пригородах, где водоснабжение ведется из артезианских скважин с высоким содержанием железа. И если крупные частицы окалины и песка задерживаются простыми сетчатыми фильтрами, то более мелкая взвесь и железо беспрепятственно проходят через них.

Во-вторых, если в крупных городах вода, выходящая с водопроводной станции, обычно соответствует всем нормативным требованиям, то в ряде малых населенных пунктов повышенная мутность и цветность воды – привычное явление.

Эффективным решением описанной проблемы являются системы доочистки водопроводной воды, основанные на методе ультрафильтрации.

Технологическая схема установки улучшения качества водопроводной воды:

1 – сетчатый фильтр; 2 – магнитный клапан; 3 – ультрафильтрационные аппараты; 4 – напорный бак; 5 – реле давления; 6 – шаровые краны для врезки в водопровод

Описанная технология также может являться эффективным решением проблемы обезжелезивания подземных вод. В тех случаях, когда работает метод упрощенной аэрации с последующим фильтрованием, мембранные установки могут с успехом заменить громоздкие песчаные фильтры. Метод ультрафильтрации позволяет создавать на его основе компактные, полностью автоматизированные установки, простые и удобные в эксплуатации. Главные задачи, которые решаются с помощью мембран – удаление железа и мутности, обеззараживание воды.

Технологическая схема ультрафильтрационной установки обезжелезивания подземных вод
1 – компрессор; 2 – аэрационная колонна или бак-аэратор;
3 – насос подачи воды на ультрафильтрационную установку;
4 – ультрафильтрационные мембранные модули;
5 – магнитные клапаны; 6 – напорный бак для промывки;
7 – промывной насос

Для перевода растворенного двухвалентного железа в трехвалентное перед подачей воды на ультрафильтрационные мембраны применяется предварительная аэрация воды. Высокая степень задержания коллоидных примесей позволяет упростить процесс аэрации и сократить его продолжительность, и, следовательно, уменьшить объем аэрационных сооружений. Отпадает необходимость и в мощных насосах для взрыхляющей промывки, т. к. мембранные модули промываются последовательно по отдельным небольшим блокам.

Еще одна актуальная сфера применения ультрафильтрации – подготовка воды для технологических нужд промышленных предприятий.

Ряд предприятий часто имеет только технический водопровод, в котором находится вода из поверхностного водоисточника, прошедшая только грубую механическую очистку. По своему составу эта вода характеризуется обычно повышенным содержанием взвешенных и коллоидных веществ (мутности), органических гуминовых веществ (цветности), бактерий и т.д .

Традиционно на многих производствах вода из технического водопровода используется для оборотных систем охлаждения оборудования. Однако современные виды оборудования (например компрессоры) для охлаждения требуют воду с характеристиками по взвешенным веществам и цветности, соответствующими воде питьевого качества. В случае использования специального оборудования (например, ионообменной или обратноосмотической схемы для глубокого умягчения перед парогенераторами) подаваемая вода также должна соответствовать требованиям СанПиН 2.1.4.10–74–01 и требует специальной подготовки.

Эксплуатация мембранных систем самой различной производительности – от 100 л/ч до 100 м 3/ч и более – заключается в периодическом наблюдении за работой установки (раз в смену для крупных станций) – контроль рабочего давления, производительности, наличия реагентов в расходных баках и т. п. В зависимости от качества исходной воды (содержание железа в подземной воде, цветность и мутность поверхностных водоисточников) проводятся профилактические химические промывки мембранных аппаратов для удаления той части загрязнений, которые не смываются обратными промывками. Процедура химической регенерации группы мембранных аппаратов занимает 2–4 ч и не требует специальной квалификации персонала.

Таблица сравнительных характеристик ультрафильтрационной технологии водоочистки и традиционного метода водоподготовки на скорых фильтрах с внутренней засыпкой.