Ультрафильтрация - мембранный процесс, занимающий промежуточное место между микрофильтрацией и нанофильтрацией. Мембраны для ультрафильтрации имеют размер пор от 0,05 мкм (минимальных размер пор микрофильтрационных мембран) до 10 нм (максимальный размер пор нанофильтрационных мембрана).
Основная сфера применения ультрафильтрации выделение макромолекулярных веществ из растворов, при этом минимальный предел выделяемых растворенных веществ соответствует молекулярным массам в несколько тысяч Дальтон. Для отделения растворенных органических соединений с молекулярной массой от нескольких сотен до нескольких тысяч Дальтон (Да ) применяет мембранный процесс - нанофильтрация. Ультрафильтрационные мембраны являются пористыми, следовательно задержка частиц определяется в основном формой и размером и пор. Транспорт растворителя в данном случае прямо пропорционален приложенному давлению. При микро- и ультрафильтрации протекают одинаковые мембранные явления и производится одинаковый принцип разделения.
Однако ультрафильтрационные мембраны, в отличии от микрофильтрационных, имеют асимметричное строение. При этом гидродинамическое сопротивление определяется малой долей общей толщины мембраны для ультрафильтрации воды, тогда как при микрофильтрации, видимо, в гидродинамическое сопротивление дает вклад полная толщина мембраны. Толщина верхнего слоя ультрафильтрационной мембраны, как правило, равна не более 1 мкм.
Сечение ультрафильтрационной полисульфоновой мембраны под электронным микроскопом (х 10000)
Промышленное применение технологии ультрафильтрации - фракционирование макромолекул: крупные молекулы задерживаются мембраной, в то время как небольшие молекулы вместе с молекулами растворителя свободно проходят через мембрану. Для подбора ультрафильтрационных мембран, производители используют концепцию молекулярной массы "отсечения". Однако, кроме молекулярной массы на селективность ультрафильтрационных мембран значительное влияние оказывает явление концентрационной поляризации. К примеру, мембрана ультрафильтрации с отсечением 40 КДа полностью проницаема для цитохрома с массой молекулы 14,4 КДа . При этом в смеси цитохрома и альбумина (67КДа ) будет задерживается как альбумин, так и значительная часть цитохрома. Причина данного явления - концентрационная поляризация. Мембрана непроницаема для альбумина, который формирует на поверхности мембраны дополнительный слой, работающий как динамическая мембрана, задерживающая цитохрома. Различные растворенные вещества, такие как, линейные макромолекулы (полиэтиленгликоль, декстран и др.) или глобулярные белки существенно влияют на характеристики мембранного отсечения в процессе ультрафильтрации. Следовательно при подпоре ультрафильтрационных мембран для различных технологических процессов необходимо учитывать влияние концентрационной поляризации и распределение по молекулярным массам, характерное для большинства полимеров.
Ультрафильтрация широко применяется в промышленности и лабораториях для решения задач, связанных с разделением высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений. Это очистка сточных вод промышленных предприятий, разделение и концентрирование продуктов в пищевом и молочном производстве, извлечение высокомолекулярных соединений (ВМС) в химической и текстильной промышленности , металлургии, в кожевенной промышленности, а также при производстве бумаги.
Для решения существующих проблем в очистке сточных вод от тяжелых металлов до низких концентраций ПДК создан ряд современных очистных сооружений, позволяющих вести промышленную очистку воды от взвешенных веществ, тяжелых металлов, нефтепродуктов, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), и других вредных веществ. Работа очистных сооружений основана на новых технология очистки воды: электрофлотации и ультрафильтрации.
Технологическая схема очистки сточных вод с применением ультрафильтрации
Выше представлена технологическая схема очистки сточных вод гальванического производства с последующим сбросом очищенной воды в систему канализации, либо подачей на установку обратного осмоса для обессоливания при создании оборотного водоснабжения предприятия. Данная система промышленной очистки воды рекомендуется для использования при проектировании новых очистных сооружений, либо реконструкции действующих систем очистки сточных вод для повышения их экологической безопасности и экономической эффективности.
Подобная технология очистки воды успешно реализована на нескольких очистных сооружениях гальванических производств в РФ. Технология предусматривает обработку кислотно-щелочных и хромсодержащих сточных вод в самостоятельных технологических цепочках. Технология обеспечивает глубокую очистку сточных воды от тяжелых металлов до уровня 0,005 мг/л, взвешенных веществ и нефтепродуктов до 0,01-0,05 мг/л. Рекомендуется для вновь строящихся очистных сооружений в регионах с жесткими нормами ПДК.
Установка ультрафильтрации на основе керамических производительностью 2,5 м 3 /час
Представленные технологии нашли применение в модульных, блочно-модульных и сборных установках. Разработаны различные модификации модульных установок в зависимости от состава сточных вод и климатических условий.
Модульные установки очистки воды производительностью от 0,1 до 50 м 3 /ч отвечают современным гигиеническим нормам и предназначены для промышленной очистки воды до требований ПДК рыбохозяйственных водоемов.
Ультрафильтрация - мембранный процесс, находящийся между микрофильтрацией и нанофильтрацией. Ультрафильтрационные мембраны имеют диаметр пор 0,005-0,2 мкм и позволяют задерживать высокодисперсные и коллоидные частицы, макромолекулы с нижним пределом молекулярной массы до нескольких тысяч, микроорганизмы и водоросли. Сравнительная таблица фильтрующих способностей различных мембранных процессов представлена (таблица подготовлена специалистами РХТУ им. Д.И. Менделеева).
Ультрафильтрация это продавливание жидкости через полупроницаемую мембрану, являющейся проницаемой для ионов и малых молекул и, в тоже время непроницаемой для коллоидных частиц и макромолекул. Ультрафильтрация растворов, содержащих молекулы ВМС (высокодисперсных систем), в отличие от ультрафильтрации золей, называют молекулярной фильтрацией. Ультрафильтрацию можно рассматривать как гиперфильтрацию, когда мембрана пропускает только молекулы растворителя или как диализ под давлением. В первом случае мембранный процесс обычно называют обратным осмосом.
Характеристики некоторых ультрафильтрационных мембран
|
Фирма- |
Марка мембраны |
Материалы |
Рабочее |
Проницаемость |
Задерживаемые вещества |
Селективность, |
|
|
молекулярная |
наименование |
||||||
|
«Амикон» |
Полиэлектролитный |
Раффиноза |
|||||
|
Миоглобин |
|||||||
|
Декстран Т10 |
|||||||
|
Альбумин |
|||||||
|
Химотрипсиноген |
|||||||
|
Альдолаза |
|||||||
|
Апоферритин |
|||||||
|
19S глобулин |
|||||||
|
«Миллипор» |
|||||||
|
«Дайцел» |
Сополимеры |
||||||
Мембраны для ультрафильтрации как правило изготавливаются в виде цилиндрических патронов или пластин из микропористых неорганических материалов, но чаще всего из синтетических полимеров (полиамиды, полисульфоны, полиэфирсульфоны , ПВДФ и пр.). Максимальный размер проходящих через мембрану молекул частиц (частиц) находится в пределах от нескольких мкм до сотых долей мкм. Селективность (разделяющая способность) мембран зависит от их физико-химических свойств и структуры, состава фильтруемой среды, давления, температуры и других факторов.
Ультрафильтрация в качестве метода очистки воды, концентрирования сточных вод, и/или фракционирования ВМС и многокомпонентных систем находит широкое применение в промышленном производстве. Ультрафильтры используют для очистки воды от ионных и не ионных загрязняющих веществ, органических растворителей, дизельного топлива и масел, разделения смесей белков (извлечение фосфолипидов из фосфатидного концентрата), производства витаминов и ферментов. Ультрафильтрацию применяют для микробиологического и дисперсионного анализа, а также анализа загрязнений воздушных масс и водных объектов бытовыми и промышленными отходами.
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:
- 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.
- Определено значение оптимального трансмембранного давления фильтрования (0,2 бар), которому соответствует максимальный поток фильтрата.
- 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).
- 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:
- Гандурина Л.В., Буцева Л.В., Штондина B.C. Реагентный способ удаления соединений фосфора из сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2001. № 6.
- Дедков Ю.М., Коничев М.А., Кельина С.Ю. Методы доочистки сточных вод от фосфатов // Водоснабжение и санитарная техника. 2003, № 11.
- 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.
- 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.
- Майборода А.Б., Петров Д.В., Кичик В.А., Стариков Е.Н. // Мембраны и мембранные технологии. – 2013.
Модели оборудования
Назначение ультрафильтрации воды
Ультрафильтрация воды применяется для очистки жидкости от белков, высокомолекулярных органических соединений. Установки способны частично задерживать вирусы и бактерии. Выполняется очистка от тонкодисперсионных механических примесей.
Достаточно широкие возможности метода обуславливают его широкую востребованность в различных отраслях:
- подготовка питающей воды в установках умягчения и обратного осмоса (котельные, бойлерные, телообменное оборудование);
- очистка потока воды из открытых источников от бактерий и вирусов (подготовка питьевой и технологической воды);
- очистка производственных стоков.
Финишная ступень доочистки после биологических очистных сооружений.
Состав установок ультрафильтрации серии ПВО-UF
|
Основное оборудование: |
Комплектация |
||
|
01 |
02 |
||
|
Механический фильтр предварительной механической очистки, 300 мкм; |
● |
● |
● |
|
Дозирование коагулянта |
|||
|
Статический смеситель; |
|||
|
Контактная емкость; |
|||
|
Ультрафильтрационные модули; |
|||
|
Система автоматической промывки мембран; |
|||
|
Cтанции дозирования реагентов CEB-промывки |
|||
|
Насос обратной промывки; |
|||
|
Защита насоса от работы в режиме сухого хода; |
|||
|
Гидрозаполненные манометры входного и рабочего давления; |
|||
|
Визуальные измерители потока очищенной и промывочной воды; |
|||
|
Система регулировки рабочих параметров; |
|||
|
Система задержки и плавного включения насоса; |
|||
|
Рабочие трубопроводы из PVC-U / полипропилена; |
|||
|
Рама из cтали с порошковой окраской; |
|||
|
Рама из нержавеющей cтали; |
|||
|
Мембранные клапаны для управления потоками; |
|||
|
Электрические задвижки с ручным дублированием для управления потоками; |
|||
|
Станция дозирования гипохлорита; |
|||
|
Панель для отбора проб воды; |
|||
|
Система автоматического управления установкой на базе контроллера; |
|||
|
Шкаф управления с контрольной панелью; |
|||
|
Частотное регулирование работы насосного оборудования; |
|||
|
Счетчик выработки пермеата; |
|||
|
Комплект датчиков (сухой ход, давление пермеата, перепад давления в модуле, поплавковый для емкости) |
|||
|
Опции (по запросу): |
Комплектация |
||
| 01 |
02 |
03 |
|
|
Расширенная система управления на базе промышленного контроллера; |
● |
||
|
Система предварительной подготовки исходной воды перед установкой ультрафильтрации; |
|||
|
Диспетчеризация процесса управления оборудования с выводом на компьютер инженера-технолога или оператора; |
|||
|
Емкости чистой и/или воды для промывки; |
|||
|
Насос подающий из нержавеющей стали; |
|||
|
Резервирование главного оборудование; |
|||
|
Система CIP-промывки; |
|||
|
Станция дозирования корректировки уровня pH; |
|||
|
Блок адсорбции; |
|||
|
Расширенная гарантия - 5 лет. |
|||
Конструкция модулей ультрафильтрации воды:
Принцип работы ультрафильтрации
Ультрафильтрация как класс относится к баромембранным процессам разделения. Действующей силой является перепад давления по разные стороны фильтровальной перегородки (мембраны).
Для предотвращения быстрого выхода оборудования из строя входная вода должна подвергаться предварительной очистке от мелких механических примесей. Эту функцию выполняет механический фильтр-“грязевик”.
При необходимости во входную линию добавляются вспомогательные реагенты - коагулянты и флокулянты. С их помощью возможно задержание частиц размеры которых меньше, чем диаметр пор мембраны. Добавление, в поток реагентов вызывает образование небольших хлопьев(флокул). Коллоидные и органические примеси, которые необходимо удалить закрепляются на поверхности полученных хлопьев.
Периодически, для восстановления работоспособности установки должна выполняться промывка фильтрующего модуля. Она осуществляется обратным током воды из сборника пермеата.
При образовании прочных химических осадков используются дополнительные реагенты (кислота, щелочь или гипохлорит натрия). Промывочный раствор проходит с внешней стороны волокон, внутрь вымывая в дренажную линию все накопившиеся загрязнения.
Конструкция установки ультрафильтрации
Основной элемент ультрафильтрационной установки - фильтрующий модуль. Установка ультрафильтрации, реализуемая компанией, модули выполнены по технологии Multibore®.
Поток воды пропускается через пучок многоканальных волокон. Волокна изготавливаются из полиэстерсульфона. Особенностью этогоматериала является наличие мелких структурных пор диаметром до 0,02мкм.Фактически стенки волокон представляют собой фильтр из полупроницаемой мембраны.
Компоновка модуля обеспечивает направление входного потока воды внутрь пучка волокон. Процесс фильтрации проходит изнутри наружу. Задерживаемые загрязнения остаются внутри каналов. Чистая вода (пермеат) через стенки выходит наружу и отводится из корпуса.
Состав ультрафильтрационной установки
В зависимости от условий эксплуатации, требований, предъявляемых к качеству очищенной воды и необходимому уровню автоматизации, состав основных структурных элементов может несколько различаться. В базовом, стандартном исполнении имеет следующий состав:
- блок фильтрующих модулей;
- реагентный блок (дозирование растворов коагулянта и флокулянта);
- фильтр предварительной очистки;
- узел автоматической промывки;
- блок автоматического управления;
- обвязка и трубопроводная арматура.
Дополнительно, по желанию заказчика, или в случае необходимости, комплектация установки может быть расширена. Дополнительно в состав вводятся:
- емкость-накопитель,для сбора фильтрата;
- нагнетающий насос на входной линии;
- контрольно-измерительная аппаратура (количество и функциональное назначение приборов определяет степень автоматизации системы).
Преимущество ультрафильтрации
Производство в РФ.
. Рассрочка платежа.
. Возможность использования в комплексных системах очистки воды.
. Бесплатная доставка.
. Широкий модельный ряд.
. Длительный период эксплуатации.
. Гарантия 5 лет.
. Компактность.
. Возможность полной автоматизации.
. Модульная конструкция, возможность увеличения производительности.
. Низкое энергопотребление.
. Малый расход воды.
. 100%-ая очистка от взвешенных веществ.
. Удаление бактерий и вирусов из воды.
. Очистка воды с высокой мутностью и цветностью.
. Удаление высокомолекулярных органических соединений.
. Интеграция с существующими системами управления.
. Наивысший уровень очистки среди всех технологий осветления.
. Индивидуальные предварительные испытания (пилотные испытания).
Эффективность оборудования, предлагаемого компанией НПЦ «Промводочистка» подтверждается результатами работы большого количества реализованных и успешно работающих объектов на всей территории России.
 |
 |
Варианты технологических компоновок
Установки ультрафильтрации НПЦ «ПромВодОчистка» можно использовать в различных по сложности технологических процессах. В зависимости от качества входящей воды, компоновка этапов процесса очистки может быть выполнена в нескольких вариантах:
- вариант 1:
- грубая механическая очистка;
- ультрафильтрация.
Применяется для очистки воды поступающей из скважины. Для входящего потока характерно высокое содержание взвешенных веществ при нахождении остальных параметров в пределах нормы.
- вариант 2:
- грубая механическая очистка;
- механическая фильтрация сквозь слой инертного материала;
- ультрафильтрация;
- фильтрация через слой сорбционного материала.
Подобная схема применяется при обработке воды с высоким содержанием соединений железа, взвешенных веществ и повышенной мутности. Применяется для очистки воды, забираемой из открытых источников водозабора.
- вариант 3
- грубая механическая очистка;
- ультрафильтрация;
- умягчение воды.
Основная область применения - воды поверхностных источников, имеющие повышенное содержание солей магния и кальция.
- вариант 4
- грубая механическая очистка;
- ультрафильтрация;
- фильтрация через слой сорбционного материала;
- обработка на установках обратного осмоса.
Основное назначение - обработка воды с повышенным содержанием ионов тяжелых металлов и превышениями по регламентируемым органолептическим показателям. Параллельно может быть выполнена очистка от взвешенных веществ, солей железа, кальция и магния.
Возможности использования установок ультрафильтрации не ограничиваются приведенными вариантами. При обращении в НПЦ «ПромВодОчистка» специалисты проектного отдела помогут подобрать весь технологический цикл очистки с применением мембранного оборудования для любых условий.
Обратный осмос
Обратный осмос является одним из перспективных методов водоподготовки. Применяется для обессоливания вод с солесодержанием до 40 г/л, причем границы его использования постоянно расширяются. Анализ развития технологий обессоливания воды показывает, что наблюдается интенсивное внедрение метода обратного осмоса и даже вытеснение им таких отработанных методов, как дистилляция воды и электродиализ.
Обессоливание (очистка воды от растворенных солей) достигается путем фильтрования под давлением исходной воды через специальную полупроницаемую мембрану, при этом происходит процесс перехода воды из более концентрированного раствора в менее концентрированный раствор.
Степень задержания солей может достигать 99,6%.
Мембранная очистка позволяет наряду с удалением из воды токсичных органических и неорганических загрязнений гарантировать и ее полное обеззараживание.
Обратноосмотическое фильтрование происходит на молекулярном уровне и требует повышенного качества исходной воды.
Это требование обеспечивается установкой надежных систем предварительной очистки, поскольку разовые выбросы загрязнений могут быть опасными для тонкопористых обратноосмотических мембран.
Для повышения устойчивости работы установки и увеличения срока службы фильтрующих элементов предусматривается возможность комплектации установки блоком химической промывки.
Нанофильтрация
Нанофильтрационный метод очистки воды основан на том же принципе, что и обратноосмотический. Т.е. это процесс перехода воды из более концентрированного раствора в менее концентрированный раствор под действием внешнего давления. Но нанофильтрационные мембраны удаляют частицы с большей молекулярной массой, чем обратноосмотические, поэтому работают на более низком давлении. Рабочее давление нанофильтрационных систем составляет 4-10 атм, в то время как рабочее давление обратноосмотических систем - 10-80 атм.
Современные нанофильтрационные мембраны снижают содержание одновалентных ионов (Cl, F, Na) на 40-70%, а двухвалентных (Ca, Mg) - на 70-90%. Таким образом, солесодержание очищенной воды по сравнению с исходной уменьшается после обработки на мембранных установках всего в 2-3 раза. Это позволяет получить физиологически полноценную питьевую воду, т.е. воду с солесодержанием, соответствующим биологическим потребностям человека.
Нанофильтрацию используют для концентрирования сахаров, двухвалентных солей, бактерий, белков и других компонентов, молекулярный вес которых свыше 1000 Дальтон. Селективность нанофильтрационных мембран увеличивается при повышении давления.
В процессе фильтрации происходит концентрирование веществ, которые не проходят через мембрану. В результате возможно образование пересыщенных растворов малорастворимых соединений и, как следствие, осадкообразование на поверхности мембраны. Это существенно снижает производительность очистки. Для того чтобы избежать подобных проблем, мембранная система должна быть укомплектована соответствующими блоками предварительной очистки.
Ультрафильтрация
Как все мембранные технологии, процесс ультрафильтрации состоит в пропускании исходной воды через мембрану под давлением. Однако рабочее давление в ультрафильтрации значительно ниже рабочего давления в нанофильтрации и обратном осмосе. Связано это с тем, что:
ультрафильтрационные мембраны не задерживают неорганические ионы, создающие самое большое осмотическое давление. Осмотическое же давление, создаваемое крупными частицами, которые задерживаются ультрафильтрационной мембраной, часто ниже 1 атм.
гидродинамическое сопротивление ультрафильтрационной мембраны значительно меньше, чем сопротивление обратноосмотических и нанофильтрационных мембран из-за большего размера пор. Это позволяет достигать высокой производительности при достаточно низком давлении.
Ультрафильтрационная мембрана задерживает коллоидные частицы, бактерии, вирусы и высокомолекулярные органические соединения. При этом нижний предел отделяемых растворенных веществ соответствует молекулярным массам в несколько тысяч.
В процессе фильтрации поры мембраны загрязняются отложениями сконцентрированных примесей. Ультрафильтрационные мембраны можно промыть обратным током - потоком воды со стороны фильтрата.
Таким образом, использование мембранной ультрафильтрации для очистки воды позволяет сохранить ее солевой состав и осуществить осветление и обеззараживание воды без применения химических веществ, что делает эту технологию перспективной с экологической и экономической точек зрения.
Для России и стран СНГ проблемой государственного масштаба стало снабжение населения качественной водопроводной водой. Традиционные методы очистки воды плохо справляются с удалением значительного количества новых техногенных загрязняющих веществ.
Изношенность большинства водопроводных магистралей приводит ко вторичному загрязнению воды и учащению аварийных выбросов. Традиционные бытовые магистральные фильтры не справляются с задачей качественной очистки воды. Решением этой проблемы является использование новейшего и перспективного метода ультрафильтрации - мембранного метода очистки воды.
Компания Waterman предлагает Вашему вниманиюустановки ультрафильтрации, успешно решающие целый комплекс задач по очистке воды. Наши специалисты разработают оптимальную технологическую схему обработки воды с использованием технологий ультрафильтрации, осуществят проектирование, монтаж и запуск системы в эксплуатацию.
В промышленном масштабе метод ультрафильтрации для очистки воды стал применяться с конца ХХ века. В год суммарный прирост объемов воды, очищенной с помощью ультрафильтрации, составляет около 25 %.
Острота проблемы с чистой водопроводной водой в странах Азии (таких как Малайзия, Сингапур, Тайвань, Китай), поспособствовала созданию в 1985 году исследовательского центра в Сингапуре.
Центр разработал надёжную и недорогую для этих стран технологию ультрафильтрации. Сейчас бытовой модуль ультрафильтрации в азиатских семьях (например, в Малайзии) - такой же атрибут быта, как телевизор или холодильник.
Технология ультрафильтрации, усовершенствованная и проверенная временем, не осталась незамеченной Европой и Америкой.
Области применения технологии ультрафильтрации
С конца ХХ в. метод ультрафильтрации стал использоваться в промышленном масштабе. На сегодняшний день в мире работают сотни производительностью до 4105 м 3 /сут. Около 25 % составляет ежегодный суммарный прирост объемов воды, обработанной методом ультрафильтрации. Ультрафильтрацией обеспечивается качественная очистка вод поверхностных источников, питьевой, оборотной и технологической воды при минимуме эксплуатационных затрат. Ниже приведён перечень основных областей использования ультрафильтрационной технологии.
Использование метода ультрафильтрации для дезинфекции воды
С помощью стандартных модулей ультрафильтрации производится удаление вирусов и бактерий на уровне не менее 99,99%. В отличие от традиционных методов дезинфекции воды (хлорирование, ультрафиолетовое обеззараживание, озонирование и др.), при ультрафильтрации микроорганизмы физически устраняются из воды. Это достигается за счет того, что в ультрафильтрационной мембране диаметр пор значительно меньше размеров вирусов или бактерий (пора – 0,01 мкм, бактерия – 0,4…1,0 мкм, вирус – 0,02…0,4 мкм). Таким образом, микроорганизмы, находящиеся в воде, не могут проникнуть через такой барьер. В результате устраняется необходимость первичного хлорирования воды, а обеззараживание осуществляется уже непосредственно перед подачей воды потребителю.
Обработка ультрафильтрацией хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод
Во всем мире стараются повторно использовать очищенные сточные воды, которые гораздо выгоднее не сбрасывать в открытый водоем, а после обработки ультрафильтрацией направлять для промышленного использования. Тем самым техногенная нагрузка на водоёмы хозяйственно-питьевого назначения значительно снижается.
Использование ультрафильтрации в качестве предварительной ступени перед системами обратного осмоса
Обычно в для предварительной очистки используются мешочные или патронные фильтры (рейтинг фильтрации 5 мкм). 
Замена их на ультрафильтрационные модули, имеющие более длительный срок службы, позволит снизить эксплуатационные расходы.
Применение ультрафильтрационных модулей позволяет стабилизировать коллоидный индекс SDI на уровне 1-2, в результате значительно сокращается частота промывок и замен мембран обратного осмоса.
Использование в качестве предварительной фильтрации перед обратным осмосом технологии осветлитель + флокулянт требует тщательного выбора флокулянтов. Катионные флокулянты нельзя использовать, так как обратноосмотические мембраны имеют отрицательный заряд. Анионные и неионогенные флокулянты используются при минимальных дозах. Сложно после блокировки пор флокулянтом восстановить работоспособность мембран. Эта проблема полностью отсутствует при ультрафильтрационной обработке.
Обратноосмотические мембраны при определенных условиях подвержены биообрастанию. Возникновению этой проблемы способствует высокая температура исходной воды, большое содержание “органики” (перманганатная окисляемость более 3,0 мгО 2 /л), длительные межпромывочные циклы, значительная обсемененность исходной воды.
Значительное количество крупномолекулярной “органики”, содержащейся в воде при традиционной технологии осветления, может заблокировать поры обратноосмотических мембран. Процесс ультрафильтрации делает возможной эффективную очистку обратноосмотическими системами воды с очень высоким потенциалом биообрастания (например, очищенными хозяйственно-бытовыми сточными водами).
Ультрафильтрация промывных вод фильтров обезжелезивания, осветления и сорбции
Степень использования воды повышается до 99,8 %, если промывные воды подвергать ультрафильтрации. Этим целям служат ультрафильтрационные фильтр-прессы, которые обеспечивают механическое обезвоживание осадков.
Использование ультрафильтрации для осветления воды
При оценивании новой технологии обращают внимание на себестоимость и качество получаемого продукта. Более низкая себестоимость осветленной воды высокого качества обеспечивается за счет компактности установок ультрафильтрации, простоты их обслуживания и незначительного расхода химических реагентов. В конечном итоге себестоимость осветленной воды, полученной с помощью ультрафильтрации, определяется качеством исходной воды и производительностью установки. Себестоимость очищенной воды для небольших коммерческих установок (производительность менее 100 м 3 /час) находится в пределах 1,5–3,5 руб/м 3 , для установок производительностью более 100 м 3 /час себестоимость очищенной воды ниже: 0,5–2,0 руб/м 3 .
Осветление воды при розливе в бутыли (осветление питьевой и минеральной воды)
Чистота природного источника воды не избавляет от необходимости перед розливом питьевой воды в бутыли пропускать ее через фильтр тонкой очистки.
Очистка воды с помощью чаще всего применяемых для этой цели механических фильтров картриджного типа (например, Big Blue 20) или мешочного типа 1-5 мкм не обеспечивает требуемую степень фильтрации. Наиболее перспективным методом улучшения качества воды (природных вод) является осветление воды методом ультрафильтрации (улучшение качества воды методом стерилизующей ультрафильтрации).
Ультрафильтрация как предварительная ступень очистки перед ионообменными фильтрами
Большие сложности возникают при использовании (особенно в промышленности и энергетике). Гранулометрический состав воды редко учитывается, когда проектируются системы фильтрации воды. Микрофильтрационные и осветлительные фильтры предварительной очистки эффективно удаляют взвешенные частицы размером свыше 1,0 мкм. Ионообменные смолы не пропускают коллоиды величиной 0,1…1,0 мкм, но вместе с тем происходит их «закупоривание». Результатом «закупоривания» является снижение интенсивности ионного обмена и ресурса смол. Чтобы этого избежать, нужно уменьшить мутность исходной воды ниже 3 NTU (нефелометрические единицы мутности). Это позволяет сделать ультрафильтрация (обеспечивает мутность до 0,1 NTU).
Часто имеющиеся в речной воде и воде артезианских скважин коллоиды SiO2 вызывают проблемы в процессе ионного обмена. При значении рН меньше 7 (после H-катионирования) может происходить полимеризация SiO 2 (молекулы объединяются в длинные цепочки). С поверхности смолы такие образования удалить чрезвычайно сложно: требуются длительные слабоэффективные промывки и восстановление ионообменного материала. Для предотвращения необратимого «закупоривания» ионитов достаточно установить перед ионообменными фильтрами систему ультрафильтрации, удаляющую более 95 (а иногда и более 98) % коллоидов SiO 2 . При определенных условиях, например, при наличии в системе не промываемых химическими растворами пространств, происходит рост количества микроорганизмов, которые также служат причиной “закупоривания” ионообменных смол. Кроме того, бывает так, что уплотнения, клапаны и необработанные поверхности, соприкасающиеся с водой, не соответствуют санитарным требованиям и техническим нормам. В таких областях при благоприятных температуре и уровне рН процесс биообрастания активизируется. Использование ультрафильтрации позволяет значительно замедлить протекание этого процесса на поверхности смол.
В нефтехимической, химической промышленности и при очистке сточных вод ионообменные смолы загрязняются содержащимися в воде маслами. Часть масел легко удаляется в процессе осаждения, флотации или коалесценции. Но химически или механически эмульгированные масла плохо удаляются. Часто бывает дешевле заменить смолы, чем пробовать очистить их от масел. Эту проблему решает предварительная ультрафильтрация, обеспечивающая удаление до 99% эмульгированных масел перед последующей очисткой воды смолами.
Часто поверхность фильтрующих гранул и пространство между ними загрязняются высокомолекулярными органическими соединениями. Решить проблему пытаются использованием активированного угля или определённой смеси ионообменных смол. Однако активированный уголь имеет небольшой срок службы и обрастает микроорганизмами, а смолы приходится часто регенерировать (порой неэффективно). Учитывая повышенные эксплуатационные расходы и простои оборудования, мы видим, что ультрафильтрация является экономически более оправданным методом очистки воды от органических примесей.
Обработка ультрафильтрацией вод поверхностных источников и речной, озерной воды
Широко используемые в коммунальном хозяйстве и промышленности России методы осаждения и фильтрования с предварительной коагуляцией с середины ХХ века не претерпели радикальных изменений. Коагуляция эффективно удаляет примеси природного происхождения. Но произошел значительный рост количества техногенных загрязняющих воду веществ, для удаления которых методы отстаивания и фильтрования не всегда могут быть эффективными. Около 1000 контролируемых химических веществ насчитывается по новым санитарным нормативам. При первичном хлорировании воды происходит образование сотен хлорорганических соединений, что вызывает большие проблемы.
О содержании органических веществ судят, как правило, по перманганатной окисляемости воды. Из-за трудностей окисления техногенных органических соединений перманганатом калия истинное качество воды по содержанию «органики» не отражается этим показателем. В процессе наблюдений в течение недели за составом воды в р. Кама замечено, что перманганатная окисляемость менялась в диапазоне от 3,36 до 4,16 мгО 2 /л, в то время как бихроматная окисляемость колебалась от 15 до 43 мгО 2 /л. Колебания показателя обусловлены постоянным изменением состава органических соединений. В таких условиях трудно выбрать оптимальную дозу коагулянта, что способствует нестабильной работе осветлителей и дополнительной нагрузке на последующие стадии очистки. Введение таких дополнительных стадий очистки как озонирование, сорбция активированным углем и др. увеличивает эксплуатационные расходы и, соответственно, себестоимость очищенной воды.
Трудности в обеспечении населения России качественной питьевой водой привели к том, что это стало действительно государственной проблемой. Традиционно используемые способы получения чистой питьевой воды с использованием хлорирования, коагулирования, флотации, отстаивания и фильтрования, обладают следующими существенными недостатками:
- нестабильность качества очищенной воды;
- большие ресурсоёмкость и габариты оборудования;
- опасность образования канцерогенов при использовании хлорсодержащих реагентов при обеззараживании воды;
- большие расходы дорогих химических реагентов, а также решение задач организации их приготовления и хранения.
Ультрафильтрация лишена вышеперечисленных недостатков. С ее помощью вода очищается от взвешенных частиц, бактерий, вирусов, водорослей, коллоидов и высокомолекулярных органических соединений. Значительно увеличивается эффект осветления и степень извлечения органических соединений при предварительной коагуляции. Эффективность метода ультрафильтрации мало зависит от изменений дозы коагулянта, так как отфильтровывание образующихся хлопьев производится независимо от их размера. Также не требуется продолжительное время для формирования крупных хлопьев и отпадает необходимость в камере хлопьеобразования. Вода, очищенная с помощью метода ультрафильтрации, безопасна по микробиологии и обладает стабильно высоким качеством, которое не зависит от состава исходной воды.
Таким образом, достоинства метода ультрафильтрации - высокая эффективность очистки, низкие эксплуатационные затраты и надежность оборудования - делают его применение выгодным мероприятием. Специалисты компании Waterman помогут Вам его осуществить !
Наша компания предоставляет свои услуги по продаже, проектированию и установке систем водоочистки как промышленным производствам любого масштаба, так ичастным лицам. Мы работаем качественно и оперативно !
