ООО "КОМПЕНС"
Напишите нам: zakaz@kompens.ru
Звоните: +7(499) 938-56-00

Ультра- и микрофильтрационные мембранные технологии и установки

Мембранные технологии обработки воды стали широко применяться в последние 10-15 лет. Наиболее распространены баромембранные методы фильтрации, заключаю­щиеся в продавливании раствора через полупроницаемую мембрану против градиента концентрации растворенных в воде веществ и находящихся там во взвешенном состоя­нии микрочастиц, микроорганизмов и коллоидов. Чем меньше размеры пор мембран, тем выше требуется давление на входе в установки. Классификация баромембранных методов основывается прежде всего на размерах фильтрующихся частиц (соответству­ющих размерам пор в мембране) и применяемых величинах давления, необходимого для осуществления процесса.

К преимуществам баромембранных технологий относятся:

  • высокая надежность барьерной фильтрации;
  • компактность оборудования;
  • простота наращивания мощностей благодаря модульной конструкции оборудования;
  • возможность полной автоматизации процесса;
  • минимальное использование реагентов;
  • немногочисленный обслуживающий персонал;
  • низкое энергопотребление (от 0,1-0,2 кВт-ч/м3 при микро- и ультрафильтрации при 0,9-3,7 кВт-ч/м3 при обратном осмосе).

К недостаткам баромембранной технологии обычно относят:

  • относительно высокую стоимость оборудования;
  • образование отложений и зарастаний на мембране, засоряющих ее;
  • некоторые возможные сложности с утилизацией концентрата (при условии, что в нем накапливаются болезнетворные микроорганизмы или токсичные вещества);
  • определенные требования к качеству исходной воды.

Образование отложений и зарастаний на мембране в значительной мере преду­преждается разделением фильтруемой воды на два потока: фильтрат (пермеат) и кон­центрат. Концентрат, двигаясь вдоль поверхности мембран, смывает образующиеся на ней отложения. В состав конструкции таких установок включается специальная сетка, турбулизирующая поток воды непосредственно около мембраны. При фильтровании около мембраны постепенно накапливается слой задерживаемых ионов и других приме­сей. Это приводит к сопротивлению проходу воды через мембрану. Если не обеспечить турбулизацию потока, то мембрана может полностью выключиться из работы (так на­зываемое явление концентрационной поляризации).

Для предотвращения или уменьшения отложений веществ на мембранах в ком­плект поставки аппаратов включают патронные фильтры с пористостью 20 и 5 мкм и ре- агентный узел для дозирования в исходную воду ингибиторов осадкообразования.

Стандартные конструкции фильтров и материалы мембран не предотвращают вто­ричное бактериальное заражение воды, так как бактерии могут развиваться на самой мембране. Поэтому для получения питьевой воды необходимо перед мембранным филь­тром и после него предусматривать обеззараживание воды, например, ультрафиолето­вым излучением

Все виды мембран предусматривают определенные показатели качества входной воды. Наименее требовательны к ее составу мембраны микро- и ультрафильтрации. Эти мембраны допускают обработку хлорированной воды, высокое содержание взвешенных частиц (до 50-40 мг/л в зависимости от типа мембран) и работают в широком диапазо­не pH (1-13). Мембраны нанофильтрации и обратного осмоса предъявляют достаточно высокие требования к качеству входной воды. Обычно необходима предварительная об­работка воды, которая заключается в удалении взвешенных частиц, растворенного же­леза и нейтрализации окислителей. Мембраны всех видов нуждаются в периодической промывке и очистке, в том числе в химически усиленной очистке. Несоблюдение техно­логии эксплуатации может привести к необратимым процессам загрязнения и порчи мембран.

Оценка эффективности очистки воды по общим показателям качества различными мембранными элементами

Метод

Размер пор мембраны, мкм

Размер, задер­живаемых час­тиц (молекул),

Д

Рабочее

давление,

бар

Удаляемые вещества, частицы, микроорганизмы и др.

Микрофильт­-

рация

0,01-1

> 100 000

<2

Очень мелкие взвешенные части­цы, крупные коллоиды, эмульсии, цисты простейших, большие бак­терии, водоросли

Ультрафильт­-

рация

0,001-0,01

2 000-100 000

1,5-7

Все взвешенные частицы, коллои­ды, цисты простейших, бактерии, водоросли, вирусы

Нанофильтра­-

ция

0,0001-0,001

300-1000

3,5-20

Все взвешенные частицы, все мик­роорганизмы, органические рас­творенные вещества, 20-85% рас­творенных неорганических ве­ществ

Обратный

осмос

<0,0001

100-300

15-70

Все взвешенные частицы, все мик­роорганизмы, все растворенные органические вещества, 95-99% растворенных неорганических ве­ществ

Не допускаются высыхание мембран и их длительный простой (более трех суток без специальной консервации).

В некоторых случаях, когда в исходной воде много кальция и магния, обусловлива­ющих карбонатную жесткость больше 5-6 ммоль/л и общую жесткость - больше 8-12 ммоль/л, рекомендуется предварительное умягчение или ингибирование исходной воды. Мембраны для баромембранных фильтрационных аппаратов изготавливаются в основном из полимерных материалов; целлюлозы и ее эфиров, полиамидов, полиолефи- нов, сополимеров акрилонитрила с винилхлоридом, поливинилхлорида. Применяются и керамика, и металлы.

Мембранные аппараты изготавливают четырех типов:

  • плоскокамерные: мембранный элемент состоит из двух плоских мембран с рас­стоянием между ними 1,5-5,0 мм. В этом промежутке расположен пористый дренажный материал.

Плотность упаковки мембран (поверхность, приходящаяся на единицу объема ап­парата) равна 60-300 м23. Вследствие такой малой производительности аппараты это­го типа применяют там, где потребность в деминерализованной воде невелика;

  • трубчатые: аппарат состоит из пористых трубок диаметром 5-20 мм. Материал, который служит мембраной, наносится на поверхность трубки (внутреннюю или наружную). Плотность упаковки у этого типа аппаратов также небольшая - 60-200 м23;
  • рулонные: мембранный элемент имеет вид пакета, три кромки которого гермети­зированы, а четвертая крепится к перфорированной трубке для отвода пермеата. По ок­ружности трубки таких пакетов несколько, все они вместе с сетками накручиваются на трубку. Разделяемая вода движется в продольном направлении по межмембранным ка­налам, а пермеат поступает в отводящую трубку. Плотность упаковки такого аппарата высокая - 300-800 м23, но из-за сложности изготовления эти аппараты применяются в основном на средних и больших производствах;
  • волоконные: мембранный элемент имеет вид полого волокна. Аппарат представ­ляет собой цилиндр, заполненный пучком пористых полых волокон с наружным диаме­тром 80-100 мкм и толщиной стенки 15-30 мкм. Разделяемая вода омывает наружную поверхность волокна, а по его внутреннему каналу выводится пермеат. В этих аппара­тах очень большая плотность упаковки - до 20000 м2/м, они широко используются в оп­реснительных установках, например при получении питьевой воды из морской воды и рассолов. Важное значение имеет модульный принцип, положенный в основу создания баромембранных фильтрационных установок, который позволяет легко наращивать их мощности в соответствии с масштабом поставленных задач.

При проектировании мембранных установок осуществляют подбор оптимального типа мембран в зависимости от состава исходной воды и определения оптимального ре­жима эксплуатации мембранной установки, при котором загрязнение мембран было бы минимальным. Надежность работы установок обеспечивается правильным выбором ма­териала мембраны, который должен быть наименее чувствителен к загрязнениям, ха­рактерным для данного состава исходной воды, и конструкцией аппарата, позволяющей проводить эффективные гидравлические промывки мембран.

Недостатком получаемых путем вытравливания треков, оставшихся в полимерной пленке после ее облучения потоком высокоэнергетических частиц, является их низкая поверхностная пористость и относительно высокая стоимость.

Для производства ультрафильтрационных мембран также используют неорганические (керамические и металлокерамические) материалы на основе окислов AlqO3, ТiO2, Zn02. Керамические мембраны характеризуются долговечностью, высокой физической, химичес­кой и бактериальной стойкостью, что позволяет им работать в самых жестких условиях.

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 через них может производиться «изнутри наружу» или «снаружи вовнутрь».

Мембранные аппараты с полыми волокнами производятся зарубежными фирмами Norit, Aquasource, Inge, Koch, Hydranautics и др.

Устройство половолоконного ультрафильтрационного аппарата

Рулонные элементы изготавливаются из плоских мембран. Для форми­рования напорного и фильтратного каналов используются различные дренажные мате­риалы-сетки.

Устройство рулонного мембранного элемента

Производителями рулонных аппаратов с плоскими мембранами являются: ЗАО НТЦ «Владипор», TriSep, Koch, General Electric (Osmonics), Alfa-Laval, Rochem (плоские фильтрационные элементы).

Особое место занимают так называемые погруженные мембраны, в которых процесс ведется не под действием избыточного давления, а под действием вакуума, создаваемого в фильтратном тракте. Бескорпусные 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.

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

Q=ΔPS/μ(Rм+R3+Roc),

где P -разница давлений над и под мембраной (исходной воды и фильтрата); S - пло­щадь мембран в аппарате; μ - динамическая вязкость воды; RM- сопротивление мемб­раны; R3- дополнительное сопротивление мембраны за счет закупоривания ее пор; Roc- сопротивление осадка на поверхности мембраны.

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

Метод ультрафильтрации природных вод на практике может быть эффективно реа­лизован только при соответствующем наполнении всей технологической схемы водо­подготовки дополнительными установками, оборудованием и приборами управления и контроля.

В состав ультрафильтрационных станций (блоков, модулей) включают обычно блок мембранных модулей, накопительные емкости, повысительные и циркуляционные насосы, запорно-регулирующую арматуру и приборы автоматики. Для защиты мемб­ранных элементов от засорения грубодисперсными примесями перед ними размещают крупнозернистые или сетчатые фильтры предочистки с размером пор 50-200А0.

Установки предназначены как для обработки поверхностных вод, так и для доочи­стки водопроводной воды. Они полностью автоматизированы и дополняются блоками глубокого обеззараживания воды с помощью бактерицидных ламп и патронных микро­фильтров. Ультрафильтрация используется и как ступень предочистки в передвижных станциях обратноосмотического опреснения воды. В установках НЦП «Звезда» для до­очистки водопроводной воды и кондиционирования природных вод используются мно­гоканальные керамические мембраны с пористостью 0,2-0,4 мкм, работающие в попе­речноточном режиме с рециркуляцией. В опытах с водопроводной водой на­блюдалось задержание сульфатов, аммонийного азота, снижение жесткости, цветности и окисляемости.

Технологическая схема очистки поверхностных вод (производитель - ЗАО «Полимерфильтр», г. Краснодар)

а - с поперечноточным режимом работы с рециркуляцией концентрата; б - с поперечноточным режимом работы с пониженным сбросом концентрата; 1 - фильтр грубой очистки; 2 - насос исходной воды; 3 - циркуляционный насос; 4 - четырехходовой кран; 5 - мембранные аппараты; 6 - регулирующий клапан; 7 - запорные клапаны; 8 - бак очищенной воды; 9 - насос чистой воды; 10 - адсорбционный фильтр; 11 - стерилизующее устройство

Приборы «Ручеек», выпускаемые ЗАО «Мембраны», работающие под давлением в водопроводной сети и предназначенные для улучшения качества водопроводной воды по органолептическим и токсикологическим показателям, реализуют комплексное ис­пользование ультрафильтрации (или нанофильтрации) и сорбции на активных углях. Производительность установок - от 4 л/ч до 12 м3/сут. Сброс промывной воды в кана­лизацию составляет 10% от исходного потребления.

Технологическая схема установки очистки и кондиционирования воды повышенным содержанием двухвалентного железа на основе керамических микрофильтрационных мембран (производство ГУП НИЦ «Звезда»)

В процессе работы мембранных элементов происходит падение их производитель­ности между промывками. 

При работе с любой мембраной в диапазоне размеров пор от 10 до 400 А практически все микробиологические загрязнения, связанные с мутностью, удаляются. Эффективность мембранной доочистки воды по показателю цветности достигает 100% для нанофильтраци- онной мембраны, 40-70% - для ультрафильтрационных мембран с малым размером пор и 20-40% - для крупнопористых мембран. Более низкий эффект очистки по остаточной перман- ганатной окисляемости (ПМО) связан с проскоком растворенных легкоокисляемых веществ.

Применение макропористых мембран сокращает энергозатраты в 3-7 раз. Однако это приводит к двукратному росту остаточных концентраций примесей. При обработке воды с использованием нанофильтрационной мембраны максимальная эффективность доочистки воды наблюдается при наибольших энергозатратах. Независимо от схемы очистки и типа мембран во всех случаях достигается практически полное удаление гру­бодисперсных примесей (по мутности до 100%), в то время как при схеме без мембра­ны мутность снижается не более чем на 90-95%.

Введение стадии мембранной доочистки при реагентном и озоно-сорбционном ос­ветлении воды снижает остаточное содержание окрашенных компонентов с 8-15 до 4-8%.

Однако при обработке сырой воды мембраны задерживают лишь половину тех ор­ганических примесей по перманганатной окисляемости (ПМО), которые удаляются тра­диционными, в том числе озоно-сорбционными методами.

Расчет соотношения вкладов различных методов в снижение содержания органиче­ских примесей воды по ПМО показал, что вклад нанофильтрационной мембраны после осветления - 63%, а после озонирования и сорбции - 27%, вклад ультрафильтрацион­ных мембран в общем результате составляет от 20 до 40% в схеме с осветлением, а в схемах мембранной доочистки воды после озонирования и сорбции вклад ультрафильт­рационных мембран составляет 5-10%, в дополнение к эффективности обычной очистки.

Вернуться к списку

ПОСЛЕДНИЕ СТАТЬИ

Искрогаситель ИГС-55
Искрогаситель ИГС-115
Искрогаситель ИГС-45 
Искрогаситель ИГС-120
Искрогаситель ИГС-65
Искрогаситель ИГС-130
Искрогаситель ИГС-80
Искрогасители на дымоход
Сильфонный компенсатор ГОСТ
Уровнемеры для резервуаров
Уровнемеры для емкостей
Подбор сильфонных компенсаторов
Установка сильфонных компенсаторов
Предварительная растяжка сильфонных компенсаторов
Производство сильфонных компенсаторов