Ультрафильтрация что это такое

Ультрафильтрация воды

1. Что такое ультрафильтрация?

2. Назначение и применение

3. Типы мембран ультрафильтрации

5. Режимы работы ультрафильтрации

6. Преимущество ультрафильтрации

7. Комплектация установок ультрафильтрации

8. Схемы компоновки системы ультрафильтрации

1. Что такое ультрафильтрация?

Ультрафильтрация воды – 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.

Ультрафильтрация основана на продавливание жидкости через полупроницаемую мембрану — проницаемую для малых молекул и ионов, но непроницаемую для макромолекул и коллоидных частиц.

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.

2. Назначение и применение

Установка ультрафильтрации предназначена для очистки воды. Она задерживает взвешенные вещества, микроорганизмы, водоросли, бактерии и вирусы, значительно снижает мутность. Так же она эффективно уменьшает окисляемость и цветность воды. Ультрафильтрация заменяет отстаивание, осаждение и микрофильтрацию.

Можно выделить следующие основные области применения этой перспективной технологии:

a) Обработка поверхностных вод: ультрафильтрация обеспечивает высокое качество питьевой, оборотной и технологической воды с минимальными эксплуатационными затратами.

b) Предподготовка воды перед обессоливающими установками: замена традиционной коагуляции и механической фильтрации ультрафильтрацией позволяет улучшить качество осветленной воды, уменьшить загрязнение мембран и ионообменных смол, увеличить срок их службы.

c) Обработка и вторичное использование хозяйственно-бытовых сточных вод: мировые тенденции направлены на повторное использование очищенных бытовых сточных вод. Выгоднее не сбрасывать их в открытый водоем, а направлять после обработки ультрафильтрацией для промышленного использования.

d) Очистка промышленных сточных вод, обеспечивающая их повторное использование и снижающая техногенную нагрузку на водоемы хозяйственно-питьевого назначения.

e) Обработка промывных вод песчаных фильтров. Ультрафильтрационная обработка промывных вод осветлительных фильтров позволяет повысить степень использования воды до 99,8 %.

3. Типы мембран ультрафильтрации

Мембранные элементы изготавливаются в двух конструктивных исполнениях:

Рулонные мембраны работают при значении мутности входной воды (до 0,5 мг/л), Рулонные элементы используются для доочистки питьевой воды или для стерилизации растворов

Трубчатые и половолоконные мембраны работают при значении мутности входной воды (до 40 г/л),

Эти элементы могут работать с поверхностными и сточными водами.

4. Принцип работы

Исходная вода подается на модуль ультрафильтрации при помощи насоса. Перед модулем вода пропускается через грязевик, который отфильтровывает грубые частицы, предохраняя тем самым мембраны.

В линию подачи исходной воды может дозироваться коагулянт (для улучшения фильтрования и эффективности обратной промывки).

Поток воды проходит через ультрафильтрационные мембраны и поступает в бак фильтрата/обратной промывки. Периодически для мембран проводится обратная промывка, во время которой удаляются накопившиеся на поверхности мембраны загрязнения. Для увеличения эффективности обратной промывки в промывную воду могут дозироваться реагенты.

Для проверки целостности мембран используется сухой воздух.

5. Режимы работы ультрафильтрации

Полный рабочий цикл ультрафильтрационной установки состоит из нескольких автоматически контролируемых этапов. Последовательность этих этапов в основном зависит от параметров исходной воды.

6. Преимущество ультрафильтрации

— эффективная фильтрация воды (фильтрация при рабочем давлении до 4 атм);
— пониженное количество используемых реагентов;
— простая автоматизация;
— полное удаление взвешенных веществ;
— дезинфекция (удаление 99,99% бактерий и вирусов);
— осветление воды (снижение мутности и цветности воды);
— эффективное удаление коллоидного кремния и органических веществ;
— ультратонкая очистка воды (степень фильтрации 0,02 микрон);

По сравнению с обычным фильтрованием, при ультрафильтрации и микрофильтрации реализуется механизм отделения загрязнений на поверхности мембраны, этот процесс подобен тонкому просеиванию на сите с порами практически одинакового размера. Любая частица, размер которой превышает размер пор, отсекается.

Это обстоятельство делает ультрафильтрацию чрезвычайно привлекательной технологией, т.к. качество обработанной воды удовлетворяет определенным абсолютным критериям и не зависит от качества исходной воды при условии сохранения целостности мембраны.

Кроме высокой эффективности очистки и ее абсолютного характера для частиц, превышающих размер пор мембраны, ультрафильтрационное оборудование становится все более компактным, установки водоподготовки на его основе становятся все более высокоавтоматизированными и требуют все меньших затрат химических реагентов.

7. Комплектация установок ультрафильтрации

Установки ультрафильтрации поставляются в различной комплектации, в зависимости от требований, предъявляемых к составу оборудования и степени автоматизации.
Установка ультрафильтрации состоит:

— Модуль ультрафильтрации
— Насос промывной с частотным приводом
— Насос исходной воды *
— Бак промывной воды (пермеата) *
— Блок дозирования коагулянта
— Блок дозирования флокулянт
— Блок химической промывки системы
— Блок автоматики и управления
— Комплект ручной и электроприводной арматуры
— Комплект контрольно-измерительной аппаратуры:*
— датчик давления
— датчик расхода
— датчик рН
— датчик температуры
— Монтажные рамы

*- поставляется по требованию

8. Схемы компоновки системы ультрафильтрации

Возможны различные варианты комплектации системы ультрафильтрации:

Вариант 1

— Фильтры грубой очистки воды

Применение: Исходная вода с высоким содержанием взвешенных веществ и мути. По остальным показателям в пределах нормы. В основном вода их скважин.

Вариант 2

— Фильтры грубой очистки воды

— Механические засыпные фильтры

Применение: Исходная вода с высоким содержанием взвешенных веществ, мутности, железа. Ярко выраженный желтый цвет воды и высокая окисляемость. Вода из поверхностных источников: рек, озер и водоемов.

Вариант 3

— Фильтры грубой очистки воды

Применение: Исходная вода с высоким содержанием взвешенных веществ, мутности, железа. Ярко выраженный желтый цвет воды и высокая окисляемость. Вода имеет высокую жесткость. Вода из поверхностных источников: рек, озер и водоемов.

Вариант 4

— Фильтры грубой очистки воды

— Установка обратного осмоса

Применение: Исходная вода с высоким содержанием взвешенных веществ, мутности, железа. Ярко выраженный желтый цвет воды и высокая окисляемость. Вода имеет высокую жесткость. В воде так же присутствуют соли тяжелых металлов и превышено значение по органолептическим показателям. Вода из поверхностных источников: рек, озер и водоем

Источник

Ультрафильтрация воды: варианты применения, выбор установки

Ультрафильтрация воды: варианты применения, выбор установки

Ультрафильтрация воды: варианты применения, выбор установки

Ультрафильтрация воды – новейший способ обеззараживания жидкости, который с каждым днём становится всё популярнее в борьбе с вредными бактериями. Несмотря на то, что данный метод набирает обороты только сейчас, он был изобретён раньше. Всё потому, что существует ещё один метод борьбы с вирусами в воде, который называется реагентным обеззараживанием. Второй способ был известен ещё до появления ультрафильтрации воды, однако, по некоторым причинам реагентное обеззараживание менее эффективно.

Из этой статьи вы узнаете:

Что такое ультрафильтрация воды

Чем этот метод отличается от системы обратного осмоса

Где применяется очистка воды ультрафильтрацией

Возможна ли ультрафильтрация воды в квартире

Как выбрать установку ультрафильтрации

Что такое ультрафильтрация воды

С помощью системы ультрафильтрации воды можно легко избавить жидкость от вредных микробов посредством ее продавливания через специальную мембрану, на которой имеются поры размером до 0,1 мкм. Довольно популярными на сегодняшний день являются капиллярные ультрафильтрационные мембраны, позволяющие сэкономить ресурсы. Такие мембраны ультрафильтрации воды имеют следующие характеристики:

качественная очистка под давлением до 6 атм;

наименьшие затраты реагентов;

гарантированное удаление взвешенных частиц;

дезинфекция воды до 99,99%;

устранение железа и марганца;

фильтрация воды от органики;

повышенная степень очистки до 0,01 микрон;

сохранение природного солевого состава жидкости.

Ультрафильтрация воды известна ещё с конца XX века, когда в промышленности стали использовать специальное ультрафильтрационное оборудование. В современном мире станций по ультрафильтрации воды более сотни. Возросла и их производительность – до 4105 м 3 /сут. Таким образом, каждый год растёт объём воды, прошедший систему ультрафильтрации (в общей сложности – 25%). Ультрафильтрация воды не просто очищает жидкость из различных источников от вредных микроорганизмов, но и позволяет провести эту процедуру с наименьшими затратами ресурсов.

Чем метод ультрафильтрации воды отличается от обратного осмоса

Сходство между ультрафильтрацией воды и системой обратного осмоса заключается в применении мембраны. И через мембрану ультрафильтрации воды, и через систему обратного осмоса проходит жидкость, избавляясь, таким образом, от вредных компонентов. Степень очистки при этом будет зависеть от величины пор, расположенных на мембранных модулях. Как мы уже упоминали выше, мембранные поры в установке ультрафильтрации воды имеют размеры до 0,1 мкм. Поры мембраны системы обратного осмоса составляют до 0,001 мкм. Вывод напрашивается сам собой: система обратного осмоса позволяет добиться максимальной фильтрации воды, поскольку мембрана, через которую проходит жидкость, имеет меньший размер пор. Разумеется, и цена системы обратного осмоса гораздо выше стоимости ультрафильтрации воды. Однако не следует разочаровываться: вы можете провести качественную очистку воды, потратив меньшее количество денежных средств.

Итак, рассмотрим, в чём заключаются плюсы ультрафильтрации воды:

Качественная дезинфекция жидкости.

Защита бытовой техники от образования накипи.

Обеспечение комфортной жизни растений.

Приготовление вкусной и безопасной пищи.

Минеральный состав воды.

Экологически чистая жидкость.

Кроме того, к плюсам покупки и установки системы ультрафильтрации воды относятся:

Работа от электросети.

Продуманный внешний вид.

Лёгкость в эксплуатации.

Высокий уровень износостойкости.

Наличие официальной гарантии.

Где применяется очистка воды ультрафильтрацией

Ежесуточно благодаря установке ультрафильтрации воды удаётся дезинфицировать до 4105 м 3 жидкости. Таких систем по миру насчитывается огромное количество. Ультрафильтрация воды отлично подойдёт для очистки природной питьевой и промышленной воды с учётом минимума расходного материала.

Вот некоторые из способов очистки жидкости с помощью ультрафильтра:

Используя обыкновенные фильтры для воды, можно избавиться от бактерий и вирусов на 99,99%. Также и по сей день существуют стандартные методы дезинфицирования жидкости с помощью озона, хлора, ультрафиолета и пр. Однако эти способы немного устарели. Ультрафильтрация воды в отличие от вышеперечисленных методов дезинфекции помогает физически избавиться от нежелательных микроорганизмов. Такой результат позволяет получить специальная ультрафильтрационная мембрана с минимальным диаметром, который гораздо меньше размеров микроорганизмов, содержащихся в жидкости. Благодаря микроскопическим порам мембраны ультрафильтрация воды задерживает огромное количество вредных бактерий и вирусов. Таким образом, отпала необходимость хлорировать воду. Само обеззараживание используется перед непосредственной подачей жидкости.

Статьи, рекомендуемые к прочтению:

Ни для кого не секрет, что вторичное пользование очищенной водой экономит максимум ресурсов. Поэтому сегодня широко распространена ультрафильтрация сточных вод для дальнейшего использования жидкости на производстве. Ультрафильтрация сточных вод избавляет природные источники от вредных техногенных загрязнителей.

Система обратного осмоса работает благодаря патронным или мешочным фильтрам, имеющим размеры по 5 микрон, что позволяет провести предварительную очистку жидкости. В сравнении с ними фильтры для ультрафильтрации воды работают гораздо дольше и значительно экономят фильтрующий материал.

Благодаря ультрафильтрации воды можно нормализовать коллоидный индекс SDI (уровень 1-2). Таким образом, мембрана осмоса будет требовать промывки или замены гораздо реже.

Во время предварительной очистки жидкости перед системой обратного осмоса пользуются осветлителем и флокулянтом. Флокулянты не так просто подобрать, как кажется. Например, использование катионных флокулянтов запрещено из-за отрицательного заряда мембраны. Иногда можно применять неионогенные и анионные флокулянты, но не так часто, как хотелось бы. Необходимо внимательно подойти к вопросу выбора флокулянта, поскольку ошибка может привести к блокировке мембраны. Чтобы избежать излишней осторожности и сохранить собственные нервы, лучше использовать ультрафильтрацию воды.

Порой мембрана системы обратного осмоса даёт сбой из-за так называемого биообрастания, от которого можно застраховаться с помощью ультрафильтрации воды. Процесс биообрастания вызывает повышенная температура жидкости. В ней, как правило, содержится огромное количество органических веществ, из-за чего окисляемость воды превышает 3,0 мгО2/л. Помимо повышенной окисляемости, на биообрастание влияют межпромывочные циклы и обсеменённость жидкости.

Органические примеси, которые испытали процесс осветления, блокируют поры мембран. Ультрафильтрация воды помогает добиться качественной очистки воды без биообрастания. Также это касается ультрафильтрации сточных вод.

Ультрафильтрация промывных вод позволяет значительно повысить уровень применения такой жидкости до 99,8%.Ультрафильтрация промывных вод осуществляется с использованием фильтра-пресса, который механически осушает осадок.

Перед применением того или иного способа очистки жидкости от вредных бактерий и вирусов стоит заострить внимание на конечной стоимости процесса. Каково в итоге соотношение цены и качества. Миниатюрная установка ультрафильтрации воды позволяет добиться гарантированного результата очистки жидкости с минимальными вложениями. Установка ультрафильтрации воды не только проста в применении, но и помогает сэкономить массу ресурсов.

Мнение о том, что вода из природных источников не нуждается в ультрафильтрационной очистке, ошибочно. Если осуществить только механическую очистку жидкости при помощи картриджного или мешочного фильтра, результат будет минимальным. Ультрафильтрация воды с помощью её осветления не только максимально избавляет жидкость от вредных бактерий и вирусов, но и улучшает вкус и стерилизацию сырья.

Применение ионообменного фильтра в производственных целях не так просто, как кажется. Во время планирования установки такого фильтра не учитывается гранулометрический состав жидкости, поэтому лучше проводить ультрафильтрацию воды перед ионообменным фильтром.

Для очистки жидкости от взвешенных частиц величиной 1,0 микрон лучше использовать микрофильтры и осветительные фильтры. Ионообменный фильтр освобождает воду от коллоидов такого же размера.

Если не пропустить жидкость через ионообменный фильтр, это может привести к закупориванию ионитов. Во избежание возникновения данной проблемы важно проводить ультрафильтрацию воды, которая поможет снизить мутность жидкости до необходимого числового значения нефелометрической единицы мутности (NTU). Ультрафильтрация воды уменьшает мутность до 0,1 NTU.

В реках и артезианских источниках содержится вода с коллоидами SiO2, которые отрицательно влияют на ионный обмен. В жидкости с низкой кислотностью (pH

Источник

УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ

Ультрафильтрация — разновидность мембранной фильтрации, т. е. процесса фракционирования по размеру растворенных или суспендированных компонентов путем фильтрации через мембраны с ограниченной проницаемостью. Ультрафильтрация находит широкое применение в вирусологии (см.), микробиологии (см.) и других медико-биологических науках, а также в медицинской и пищевой промышленности.

При Ультрафильтрации растворитель и растворенные или суспендированные в нем компоненты с размерами частиц, меньшими, чем диаметр пор мембраны фильтра, под действием избыточного давления сверху, разряжения снизу пли ускорения при центрифугировании (см.) проходят через фильтр, а более крупные компоненты скапливаются над ним. В зависимости от размера пор различают ультрафильтры (диаметр пор от 0.001 до 0,05 мкм) и микропористые фильтры (диаметр пор от 0,05 мкм и более). Ультрафильтры используют для концентрирования, фракционирования и обессоливания р-ров белков и других органических и неорганических полимеров с мол. весом (массой) 500 — 300 000, а также для концентрирования вирусов (см.). Микропористые фильтры применяют для фракционирования и концентрирования различных суспензий (см.) и для стерилизации (см.) жидкостей. Совр. ультрафильтры обычно представляют собой плотные анизотропные (кожистые) мембраны из инертных полимеров, помещаемые на высокопористые подложки, и имеют форму дисков, конусов или полых волокон, собранных в жгут. Реже применяют гомогенные целлюлозные фильтры. Микропористые фильтры изготавливают также из стекла и керамики. Широкое применение в микробиологии имели керамические фильтры в виде цилиндров, так наз. свечи Шамберлана (см. Бактериальные фильтры).

В лабораторных условиях проточное фильтрование осуществляют с помощью волоконных ультрафильтров. При этом концентрируемый р-р циркулирует внутри полых волокон фильтра, а фильтрат собирается снаружи.

Известны два варианта применения ультрафильтров. При первом из них интересующие исследователя частицы и макромолекулы проходят через ультрафильтр, а более крупные задерживаются на нем. Такой способ обеспечивает очистку и фракционирование суспензии частиц по размеру, а также стерилизацию фильтруемого р-ра в случае бактериальных загрязнений, но не его концентрирование. При втором способе интересующие исследователя частицы или макромолекулы по своим размерам превосходят диаметр пор ультрафильтра, в результате чего достигается их концентрирование и очистка, но не стерилизация.

Ввиду огромной поверхности пор в ультрафильтрах последние нередко используют для адсорбции из р-ра макромолекул и вирусов с их последующим элюированием. В этом отношении удобны растворихмые ультрафильтры, после растворения к-рых адсорбированное вещество переходит в р-р.

Область применения Ультрафильтрации в биологии и медицине весьма обширна. В микробиологии, вирусологии, а также в пищевой промышленности У. применяют для стерилизации р-ров и суспензий, очистки фаголизатов и вирусных суспензий от клеток и клеточных обломков. С помощью мембранных ультрафильтров осуществляют концентрирование и очистку вирусов и различного рода макромолекул как в лабораторных, так и в промышленных масштабах. У. все чаще используют при приготовлении вирусных и субвирусных вакцин. Напр., на стандартном фильтровальном оборудовании фирмы Millipore с общей поверхностью батарей ультрафильтров 2720 м 2 перерабатывают 150-литровые порции суспензии вируса ящура (после хлороформной депротеинизации) за 130 час. при 5°; при этом сохраняется ок. 90% инфекционности вируса, он концентрируется в 150 раз, из р-ра удаляется до 92% балластного белка. Ультрафильтрацию стали широко использовать также в биохимии, молекулярной биологии, вирусологии, микробиологии и др. при проведении различного рода исследований с применением радионуклидов, напр, при определении радиоактивности нуклеиновых кислот (см.), в экспериментах по гибридизации ДНК—ДНК и РНК—ДНК. Хотя и в ограниченных масштабах, но продолжает применяться определение размеров вирусов, белков и других макромолекул с помощью У. Благодаря У. были открыты все основные группы известных вирусов (см.): вирусы растений и животных, онкогенные вирусы (см.) и бактериофаги (см.). Долгое время Ультрафильтрация оставалась единственным способом очистки вирусов (вирусных суспензий).

В медицине стали применять конические ультрафильтры, позволяющие с помощью лаб. центрифуги концентрировать белки цереброспинальной и синовиальной жидкостей, белки мочи и др. для последующего анализа.

Библиогр.: Тихоненко Т. И. Методические основы биохимии вирусов, М., 1973; Товарницкий В. И. и Глухарев Г. П. Ультрафильтры и ультрафильтрация, М., 1951; Strohmaier К. Virus concentration by ultrafiltration, в кн.: Meth. in virol., ed. by K. Maramorosch a. H. Koprowski, v. 2, p. 245, N. Y.— L., 1967.

Источник

Метод ультрафильтрации в современном водоснабжении проблемы и перспективы

А. Г. Первов, А. П. Андрианов, Московский государственный строительный университет

Введение

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.

Это связано с появлением на рынке промышленно освоенных и коммерчески доступных мембран и аппаратов, а также отработкой надежной технологии их эксплуатации. Начавшийся в водоснабжении «бум» мембранных технологий обусловлен огромными масштабами производства новых мембранных аппаратов, специально предназначенных для работы в составе систем очистки природных вод. Новая отрасль промышленности долго осваивала и совершенствовала производство мембран с целью использования их на крупных водопроводных станциях.

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.

«Оживление» и интерес к технологии ультрафильтрации среди специалистов подогревается растущими масштабами ее применения: в США, Великобритании, Нидерландах, Малайзии, Сингапуре, Париже, а теперь и в Москве сооружаются и работают крупные станции водоподготовки, пропускающие сотни тысяч м 3 воды в день.

Объемы производства и продаж мембранных аппаратов и систем очистки воды на их основе постоянно возрастают, однако существует ряд трудностей, возникающих на всех стадиях их внедрения: с одной стороны, среди инженеров по водоснабжению мало специалистов по мембранам, поскольку мембранные технологии не входили в должном объеме в программу вузовской подготовки. С другой стороны, среди производителей мембран не так много можно найти специалистов, детально разбирающихся в проблемах современного питьевого водоснабжения.

Как известно, до сих пор еще не создано идеального «универсального» оборудования, и существующие технологии прорабатываются лишь для определенных ограниченных условий. Расширение области применения мембран, поиск новых «ниш» для их внедрения – процесс длительный, требующий накопления опыта, изучения процесса очистки.

Внезапно появившаяся на рынке и часто излишне рекламируемая мембранная технология ультрафильтрации имеет большие перспективы, но далеко не универсальна. Для того чтобы эффективно использовать мембранные установки в решении задач питьевого водоснабжения, специалистам необходимо иметь представление о сильных и слабых сторонах этой технологии.

Ультрафильтрационные мембраны и аппараты

Ключевым элементом любой ультрафильтрационной системы очистки воды являются мембранные аппараты, поэтому от выбора типа мембран, конструкции мембранных модулей и режима их работы будет зависеть успех работы всей установки.

Что понимают под мембранной ультрафильтрацией применительно к очистке природных вод?

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.

Таким образом, основные задачи при проектировании мембранных установок – это подбор оптимального типа мембран в зависимости от состава исходной воды и определение оптимального режима эксплуатации мембранной установки, при котором загрязнение мембран было бы минимальным. Надежность работы обеспечивается правильным выбором материала мембраны, который был бы наименее чувствителен к загрязнениям, характерным для данного состава исходной воды, и конструкцией аппарата, которая должна позволять проводить гидравлические промывки мембран с максимальной эффективностью. Кроме того, важно уметь прогнозировать работу установки в течение длительного периода эксплуатации.

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 (рис. 1). Полимерным мембранам при их изготовлении могут придаваться разнообразные свойства, что позволяет управлять их селективными характеристиками и устойчивостью к загрязнению различными веществами.

Микрофотографии (на сканирующем электронном микроскопе) полимерных мембран из различных материалов
а – ацетатцеллюлоза;
б – полиэтерсульфон;
в – высокопористый поликарбонат (трековая мембрана)

Особое место занимают трековые мембраны (рис. 1в), получаемые путем вытравливания треков, оставшихся в полимерной пленке после ее облучения потоком высокоэнергетических частиц. Эти мембраны характеризуются очень узким распределением пор по размеру и симметричной структурой. Недостатком таких мембран является низкая поверхностная пористость и относительно высокая стоимость.

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. Старение мембран может происходить из-за истончения верхнего слоя при взаимодействии с взвешенными и абразивными веществами, содержащимися в обрабатываемой воде, или очищающими химическими агентами.

Для производства ультрафильтрационных мембран также используют неорганические (керамические и металлокерамические) материалы на основе окислов Al₂O₃, TiO₂, ZnO₂. Керамические мембраны характеризуются долговечностью, высокой физической, химической и бактериальной стойкостью, что позволяет им работать в самых жестких условиях. Их применение сдерживается невысокой плотностью упаковки в мембранных модулях и трудностями получения пор меньшего диаметра.

В питьевом водоснабжении наибольшее распространение получили мембранные аппараты с полыми волокнами, или капиллярами, намного реже используются рулонные элементы и аппараты с трубчатыми мембранами. Каждой конструкции присущи свои достоинства и недостатки.

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» (рис. 2). 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. Мембранные аппараты с полыми волокнами производятся зарубежными фирмами Norit, Aquasource, Inge, Koch, Hydranautics и др.

Устройство и внешний вид половолоконного ультрафильтрационного аппарата

Рулонные элементы изготавливаются из плоских мембран, для формирования напорного и фильтратного каналов используются различные дренажные материалы – сетки (рис. 3). Рулонные элементы просты в эксплуатации, также обеспечивают высокую плотность «упаковки» мембран, достаточно устойчивы к загрязнению и гидравлическим нагрузкам. Существуют также аппараты с плоскими фильтрационными модулями, позволяющие получить лучшие гидравлические условия и упростить замену дефектных мембран. Производители рулонных аппаратов с плоскими мембранами: ЗАО НТЦ «Владипор», TriSep, Koch, General Electric (Osmonics), Alfa-Laval, Rochem (плоские фильтрационные элементы).

Устройство и внешний вид рулонного мембранного элемента

Особое место занимают так называемые погруженные мембраны, в которых процесс ведется не под действием избыточного давления, а под действием вакуума, который прикладывается к фильтратному тракту. Безкорпусные мембранные блоки с полыми волокнами (производители – Zenon, Koch) или рулонные элементы (TpiSep) погружаются в резервуар или канал исходной воды, туда же подается воздух для очистки поверхности мембран (рис. 4). Задержанные загрязнения удаляются с поверхности мембраны с помощью обратных промывок, осаждаются на дно резервуара и выводятся в дренаж. Преимущество таких систем: возможность обрабатывать без предварительной очистки воду с высокой мутностью, низкое энергопотребление (0,05–0,1 кВт•ч/м 3 ), меньшее количество распределительных трубопроводов и арматуры.

Внешний вид погружных модулей с половолоконными а – и рулонными; б – мембранными элементами

Теоретические основы процесса ультрафильтрации

Производительность ультрафильтрационного мембранного аппарата при работе в «тупиковом» режиме описывается в общем виде следующей зависимостью:

где ∆Р – разница давлений над и под мембраной (исходной воды и фильтрата);

S – площадь мембран в аппарате;

m – динамическая вязкость воды;

R_м – сопротивление мембраны;

R_з – дополнительное сопротивление мембраны за счет закупоривания ее пор;

R_ос – сопротивление осадка на поверхности мембраны.

Изучение экспериментальных зависимостей падения производительности мембран, полученных различными исследователями [1, 2], а также в наших опытах по ультрафильтрации речной воды и раствора хлорида железа [3] показало, что наилучшим образом они отражаются следующим уравнением:

где а – коэффициент, описывающий процесс закупоривания пор:

С_исх – концентрация загрязнений в исходной воде;

b – коэффициент, описывающий образование осадка:

r_m – удельное сопротивление осадка.

В результате адсорбции на мембране различных загрязнений ее производительность постепенно уменьшается, что описывается зависимостью:

где R_m0 – сопротивление чистой мембраны;

k_адс – коэффициент пропорциональности, показывающей увеличение сопротивления мембраны за счет адсорбции загрязнений в зависимости от их концентрации в исходной воде;

p – коэффициент скорости адсорбции.

Величина R_з зависит от соотношения размеров частиц и пор мембраны, и ее абсолютное значение увеличивается для более тонкопористых мембран. Тем не менее, при микрофильтрации процесс забивания пор носит наиболее значительный характер, поскольку сопротивление мембраны больше, несмотря на то, что относительное падение производительности в течение стадии закупоривания пор намного меньше.

Необходимо отметить, что природная вода – это сложная смесь частиц различной степени дисперсности: от молекул гуминовых кислот до глинистых частичек, поэтому в ней всегда будут присутствовать частицы, соизмеримые с порами ультрафильтрационных мембран. Поэтому полностью избежать стадии закупоривания пор путем подбора размера пор мембраны невозможно.

Для расчета по приведенным формулам необходимо знать следующие величины: содержание взвешенных веществ в исходной воде, сопротивление мембраны до и после закупорки пор, коэффициент a и удельное сопротивление осадка.

Для прогноза падения производительности необходимо знать, какое количество загрязнений остается на мембране после каждого фильтроцикла и через какое время накопится такое их количество, которое вызовет падение производительности, максимально допустимое для данной системы очистки воды. Количество осадка, находящегося внутри мембранного элемента, равно разности между массой взвешенных и коллоидных веществ, задержанных мембраной, и массой загрязнений, вымытых из мембранного элемента во время обратных промывок:

Масса загрязнений, задержанных мембраной:

и масса загрязнений, удаленных при обратных промывках:

где С_исх, С_ф, С_пр – концентрации взвешенных веществ или трехвалентного железа соответственно в исходной, промывной воде и фильтрате;

V_ф и V_пр – объем фильтрата и промывной воды.

В процессе удаления загрязнений при обратной промывке происходит вынос частиц осадка с поверхности и из пор мембраны.

В первые момент времени происходит раскрытие пор, что можно выразить через изменение дополнительного сопротивления R_з:

где k_зак – коэффициент раскупорки пор при обратной промывке,

∆Р_пр – давление при обратной промывке.

Процесс удаления осадка в зависимости от продолжительности промывки t:

где M_o, М – количество осадка в начале и в конце промывки;

с, k’, k» – коэффициенты, определяемые экспериментально.

График зависимости производительности ультрафильтрационной установки от времени (начальный участок кривой)

Основываясь на данной модели, можно рассчитать количество загрязнений, накопленных в мембранном аппарате через заданное число фильтроциклов, и определить его производительность к этому времени. Пример результатов расчета по описанной методике приведен на рис. 5. Изменяя продолжительность промывки и фильтроцикла, а также давление фильтрования и промывки, по указанным выше формулам или по экспериментальным данным можно строить графики, отражающие зависимости объемов очищенной и промывной воды от изменяемых параметров. Оптимальные параметры находятся по наибольшей полезной производительности за расчетный промежуток времени (рис. 6).

Пример графической оптимизации продолжительности фильтроцикла

Применение и установки

Изучение зарубежного опыта показывает, что развитие ультрафильтрационных систем очистки воды развивается по нескольким ключевым направлениям, отвечающим возможностям метода и существующим проблемам при подготовке питьевой воды.

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 [4].

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 5–15 м, поэтому энергопотребление таких систем (от 0,2 до 0,5 кВт•ч/м 3 [5]) сопоставимо с энергопотреблением традиционных методов фильтрования.

В данной статье мы рассмотрим конкретные примеры применения ультрафильтрационной технологии в данной области, 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.

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).

Важно отметить, что цель внедрения на водопроводных станциях процесса ультрафильтрации состоит не в очистке от новых загрязнений (хлорорганика, диоксины, тяжелые металлы), а в более эффективном решении давно существующих проблем – снижении количества остаточного алюминия, повышении барьерной роли сооружений по микробиологическим показателям, стабильном получении фильтрата с мутностью не более 1,5 мг/л (в перспективе – до 0,5 мг/л). Однако следует заметить, что существует метод удаления органических соединений, заключающийся в совместной обработке воды на мембранах с дозированием порошкообразного активированного угля.

Ультрафильтрационные мембраны также не позволяют существенно снижать цветность и окисляемость воды. Большинство органических соединений, содержащихся в природных водах, имеет молекулярный вес менее 3000–5000 и размеры молекул от 10 нм и менее. Следовательно, типичные ультрафильтрационные мембраны с размером пор 0,01 мкм и отсечением по молекулярной массе порядка 100 000–200 000 не должны задерживать эти вещества [7]. Исключение составляют некоторые типы вод с преобладанием высокомолекулярных гуминовых веществ. Эффективность очистки поверхностных вод по цветности и окисляемости на таких мембранах составляет соответственно 20–30 % и 5–15 %. Использование предварительной коагуляции перед подачей воды на ультрафильтрационную установку позволяет повысить эффект очистки примерно в два раза [8].

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. Схема и внешний вид установки показаны на рис. 7 и 8.

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

Внешний вид установки для водоснабжения загородной квартиры
а – размещенной в техническом шкафу;
б – компактный вариант под умывальником

В загородном доме или таун-хаусе при наличии собственного постоянно работающего бойлера система устанавливается на трубу подачи холодной воды.

При необходимости вторая аналогичная установка может обеспечивать доочистку горячей воды. Для повышения электробезопасности при размещении системы очистки воды в помещениях с повышенной влажностью все элементы автоматики работают под напряжением 24 В.

Такие установки могут обеспечивать чистой водой как всю квартиру, так и отдельные ванные комнаты. Они устанавливаются в разрыв трубопроводов подачи холодной и горячей воды около стояков или другом удобном месте. Малые габариты и гибко трансформируемая конструкция позволяют разместить их в стесненных условиях городской квартиры – под ванной, под мойкой на кухне, в сантехнических нишах.

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

Технологическая схема станции обезжелезивания приведена на рис. 9. 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.

Внешний вид станции обезжелезивания. Мембранные блоки, общая подача – 100 м 3 /ч

Станция очистки воды (рис. 10) включает в себя напорные аэрационные колонны с компрессорами, мембранные блоки, к которым подходят магистрали подачи исходной воды, отвода фильтрата и промывной воды (рис. 11), систему обратной промывки, состоящую из напорных баков и насосов обратной промывки, при необходимости – установку обеззараживания воды. Ультрафильтрационная установка может работать под напором скважинных насосов или с дополнительными насосами повышения давления. В последнем случае (при использовании дополнительных насосов) возможна замена напорных аэрационных колонн на открытую емкость для аэрации эжекцией.

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.

Внешний вид подобных систем показан на рис. 12 и 13.

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.

Ультрафильтрационной блок производительностью 15–20 м 3 /ч

Система для предподготовки воды перед ионообменной установкой производительностью 6–7 м 3 /ч

Мини-установка получения воды питьевого качества из поверхностного источника производительностью 200 л/ч

Заключение

Успехи внедрения ультрафильтрационной технологии в очистке поверхностных и обезжелезивании подземных вод, в доочистке водопроводной воды еще не говорят о возможности дальнейшего расширения области применения этого метода. Использование ультрафильтрационных мембран ограничено видами возможных загрязнений, содержащихся в воде.

Так, снижение цветности (обусловленной растворимыми в воде гуминовыми веществами с молекулярной массой от 2000 до 250 000), а также удаление из воды хлорорганических веществ – не под силу ультрафильтрационным мембранам.

В этом случае специалисты создают многоступенчатые комбинированные схемы с использованием различных технологических процессов: коагуляции, сорбции, окисления и др., в которых мембранам отводится роль «ловушки» бактерий, вирусов, микрочастиц. Для решения таких сложных проблем питьевого водоснабжения гораздо эффективнее оказывается другая мембранная технология – нанофильтрация. Более подробно об этой технологии – в следующих номерах.

Литература

1. Ho Chia-Chi, Zydney L. A combined pore blockage and cake filtration model for protein fouling during microfiltration. // J. Colloid & Interface Science. 2000. V. 232, p. 389-399.

2. Kosvintsev S., Holdich R.G., Cumming I.W., Starov V.M. Modelling of dead-end microfiltration with pore blocking and cake formation. // J. Membrane Science. 2002. V. 208, p. 181-192.

3. Андрианов А.П., Первов А.Г. Методика определения параметров эксплуатации ультрафильтрационных систем очистки природных вод // Критические технологии. Мембраны. 2003. № 2 (18).

4. Knops F.N.M., Franklin B. Ultrafiltration for 90 MLD Cryptosporidium and Giardia free drinking water: a case study for the Yorkshire Water Keldgate Plant. // Proc. of the Conf. on Membranes in Drinking and Industrial Water Production (Paris, 3-6 October). 2000. V. 1, p. 71-78.

5. Mavrov V., Chmiel H., Kluth J., Meier J., Heinrich F., Ames P., Backes K., Usner P. Comparative study of different MF and UF membranes for drinking water production. // Desalination. 1998. V. 117, p. 189-196.

6. Laine J.-M., Vial D., Moulart P. / Status after 10 years of operation – overview of UK technology today // Proceedings of the Conference on Membranes in Drinking and Industrial Water Production. Paris, France, 3-6 October, 2000 – V. 1, p. 17-27.

7. Sch_fer A.I., Fane A.G., Waite T.D. Cost factors and chemical pretreatment effects in the membrane filtration of waters containing natural organic matter. // Water Resources. 2001. V. 35, No. 6, p. 1509-1517.

8. Андрианов А.П., Первов А.Г. Перспективы применения мембранных методов ультрафильтрации и нанофильтрации на крупных водопроводных станциях // Проекты развития инфраструктуры города: Сб. науч. трудов. Вып. 4. Комплексные программы и инженерные решения в области экологии городской среды. М., 2004.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Источник

• ← Фиброз грудной железы у женщин что
• какое давление в газовом баллоне пропан →