Файл: Челябинский филиал федеральное государственное автономное образовательное учреждение.pdf

47 чение 30 минут на дренаж для промывки остатков консервирующего раствора.
3.3
Мембраны нанофильтрации
Недавно разработанные мембраны, являющиеся разновидно- стью мембран обратного осмоса. Мембраны нанофильтрации ха- рактеризуются:
- относительно высоким пропусканием одновалентных солей: от 10 до 80%;
- более низким пропусканием двухвалентных солей: от 1 до
10%;
- таким же пропусканием растворенных органических форм, как и на осмотических мембранах.
Основное преимущество мембран нанофильтрации состоит в том, что, допуская повышенное пропускание одновалентных солей
(в наибольшей степени ответственных за формирование осмотиче- ского давления), они работают при пониженных значениях Δπ, т.е. при пониженном энергопотреблении.
Эффект разделения достигается за счет того, что на мембране создается постоянный электрический заряд, отталкивающий от по- верхности частицы и ионы, несущие заряд того же знака. Понятно, что, чем больше величина заряда у частицы, тем с большей силой она отталкивается мембраной.
Благодаря тому, что нанофильтрационные мембраны эффек- тивно снижают цветность исходной воды (на 70–95 %) и окисляе- мость (на 50–80 %), удаляют пестициды, а также соли жесткости (на
50
–80 %) и микробиологические загрязнения, нанофильтрация мо- жет считаться идеальной технологией для получения питьевой воды практически из любых источников (за исключением морей и океа-

48 нов). При этом нанофильтрация позволяет получать мягкую воду с частично сохраненными в ней хлоридами и гидрокарбонатами, т.е. более пригодную для питьевых целей, чем обратноосмотическая.
Поскольку в очищенной воде отсутствуют бактерии и вирусы, мик- розагрязнения и хлорорганика, имеется возможность сокращения дозы хлора при последующем хлорировании.
Селективность мембран нанофильтрации:
Ион/показатель
Селективность, %
Кальций
93-95
Магний
92-94
Железо (III)
98-99
Алюминий
95-98
Сульфаты
96-98
Фосфаты
90-95
Бикарбонаты
50-60
Силикаты
90-95
Хлориды
40-60
Общий органический углерод
90
ХПК
50-70
ПАВ (анионные и неионогенные)
90-95
Цветность (красители)
90-95
Вместе с тем, стоимость мембран нанофильтрации значитель- но превышает стоимость мембран обратного осмоса, в связи с чем большого распространения данная технология пока не получила.
Второе применение нанофильтрации – подготовка воды для подпитки тепловых сетей путем извлечения солей жесткости. Одна- ко следует отметить, что кроме удаления солей жесткости на мем- бранах нанофильтрации удаляется и часть ионов натрия, а также сульфаты. Это значительно улучшает качество сетевой воды, одна- ко ставит вопрос по утилизации стоков установки.
Конструкция и эксплуатация мембран нанофильтрации иден- тична конструкции мембран обратного осмоса.

49
3.4
Мембраны ультрафильтрации
Все полимерные мембраны ультрафильтрации (УФ) относятся к ассиметричному типу, тогда как минеральные УФ-мембраны име- ют композитную структуру. Они свободно пропускают соли и задер- живают лишь наиболее крупные растворенные формы (макромоле- кулы) и некоторые специфические частицы, такие как вирусы, бак- терии, коллоиды и др.
УФ-мембраны обычно характеризуются порогом отсечения – размером молекул наименьшей молярной массы, задерживаемых
(отсекаемых) мембраной более чем на 90%.
В водоподготовке наиболее часто применяются УФ-мембраны с размером пор 0,03 – 0,01мкм, задерживающие лишь немногие макромолекулы. Их роль в первую очередь заключается в устране- нии всех взвешенных в воде веществ.
Мембранные элементы изготавливаются в различных кон- структивных исполнениях:
-
Рулонные мембраны работают при значении мутности вход- ной воды (до 0,5 мг/л). Рулонные элементы используются для до- очистки питьевой воды или для стерилизации растворов. Низкое предельное значение мутности исходной воды обусловлено тем, что турбулизирующие сетки в конструкции мембран при высоком содержании взвешенных веществ начинают необратимо забиваться;
-
Трубчатые и половолоконные мембраны работают при высо- ком значении мутности входной воды (до 40 г/л). Эти элементы мо- гут работать с поверхностными и сточными водами, причем трубча- тые мембраны работают в основном на стоках.
В большинстве случаев для ультрафильтрации применяются одноканальные половолоконные волокна с внутренним диаметром

50 0,8 мм или меньше, для исходной воды с высоким содержанием взвешенных твердых веществ используются волокна с большим внутренним диаметром – до 1,5 мм. Размер диаметра волокон яв- ляется компромиссом между требующейся высокой плотностью упаковки, простотой обратной промывки, малой загрязняемостью, высокой проницаемостью, и в то же время высокой механической прочностью, что обеспечивает целостность мембраны. Существуют также многоканальные волокна, для которых возможность их поврежде- ния значительно снижается, так как каждое волокно состоит из 7 капил- ляров с внутренним диаметром 0,9 мм, что существенно увеличивает механическую прочность и гаранти- рует целостность мембраны.
Обычно исходная вода вводится внутрь капилляров волокон, при этом фильтрат отводится с их внешней стороны (режим «in- out»). При обратной промывке направления потоков меняются на противоположные (по сравнению с режимом фильтрования). На внешней поверхности волокон во время обратной промывки дости- гается большая скорость потока. Это обеспечивает выравнивание распределения потока вдоль всей длины волокна, что повышает эффективность удаления загрязнений из капилляров. При конфигу- рации «in-out» объем использованной загрязненной воды оказыва- ется очень маленьким, так как питающая вода проникает внутрь во- локон, и заполняя объем существенно меньший наружного. При этом оказывается экономически выгодно производить обратные промывки через относительно короткие интервалы, предотвращая образование загрязняющего слоя. Результатом этого является ма-

51 лое рабочее давление и очень редкие химические мойки мембран.
Более того, поток обратной промывки может быть полностью сбро- шен через капиллярные каналы.
Подача исходной воды может осуществляться снаружи мем- бран, при этом фильтрат будет выходить из капилляров. Обратная промывка в таком режиме может осуществляться вместе с подачей воздуха снаружи мембраны для улучшения эффекта отмывки. В этом случае обратные промывки будут более редкими, но их интен- сивность должна быть более высокой. Направление потока филь- трации снаружи-внутрь позволяет увеличить нагрузку по взвешен- ным веществам и БПК, а использование внешней поверхности во- локна позволяет увеличить удельную площадь мембраны на едини- цу объема модуля и таким образом сэкономить площадь, необхо- димую для размещения установки. Использование воздушных чи- сток вместо обратных промывок водой позволяет снизить расход воды на собственные нужды с 10-20 % до 2-8 %. Однако этот способ подачи воды используется значительно более редко, т.к. эффектив- ность отмывок при такой схеме подачи исходной воды ниже.
В системах очистки воды могут использоваться ультрафиль- трационные модули напорного и безнапорного типа. При напорном режиме работы ультрафильтрационного модуля, мембраны заклю- чены в корпус. Вода на модуль подается при помощи нагнетающего насоса, который обеспечивает необходимый перепад давления в корпусе с мембранами.
При безнапорном фильтровании мембраны погружаются в от- крытый бак с обрабатываемой исходной водой. Со стороны филь- трата прикладывается вакуум, заставляя фильтрат протекать через мембрану.

52
Погружные мембраны обычно работают при меньших скоро- стях потока, т.к. сложно обеспечить существенный перепад давле- ния. При работе под давлением, необходима меньшая площадь мембран вследствие больших скоростей потока, кроме того, такая система может доставляться к месту эксплуатации почти полностью собранной.
Техническое обслуживание, замена элементов и очистка на месте проще выполняется для погружной системы, вследствие про- стого доступа к мембранам.
Напорные мембраны в основном применяются для очистки природной воды, а безнапорные – для очистки стоков, чаще всего в реакторах MBR.

53 элементов конструкции напорных модулей ультрафильтрации, раз- личные производители по-разному организуют размещение мем- бран и потоки воды внутри модуля, кроме этого, размеры самих мо- дулей, диаметры и высоты установки входных и выходных портов у каждого производителя свои. Это приводит к тому, что из-за отсут- ствия унификации невозможно произвести замену мембран в уста- новке на мембраны другого производителя.
Установка напорной ультрафильтрации
Т.к. производительность одного модуля ультрафильтрации от- носительно невысока, они собираются в параллельные секции. В каждой секции организованы коллекторы исходной воды (нижний и верхний), а также коллектор очищенной воды.
Возможно вертикальное или горизонтальное размещение напорных модулей ультрафильтрации в установке. В первых уль- трафильтрационных системах конструкция установок предполагала размещение модулей в установке, аналогичное установкам обрат- ного осмоса. В одном корпусе (фильтродержателе) помещались до четырех модулей. Питающая вода подавалась с обоих концов одно- временно, образуя «мертвую зону» в центре. Однако конструкция, когда элементы располагались горизонтально, имела несколько се- рьезных недостатков. Самый серьезный недостаток – малая эффек-

54 тивность обратной промывки из-за невозможности достижения рав- номерного потока по всей длине корпуса. Кроме того, отсутствовала возможность производить промывку в «мертвой зоне» в центре фильтродержателя, где скапливалась основная масса загрязнений.
В случае механического повреждения одного из 4 мембранных мо- дулей, находящихся в одном корпусе, проблема идентификации дефектного модуля становилась весьма трудоемкой. Кольцевые прокладки для герметизации стыков между модулями таили в себе потенциальную угрозу протечек.
В современных установках используется вертикальная конфи- гурация модулей (с одним или двумя модулями), когда питающая вода подводится в нижнюю или в верхнюю часть модуля, промыв- ная вода отводится с соответствующего противоположного конца, одновременно или попеременно. Доступ к модулю прост, модуль легко может быть извлечен для технического обслуживания. Двух- модульная стойка занимает аналогичную или даже меньшую пло- щадь по сравнению с горизонтальной установкой. Другое преиму- щество вертикального расположения заключается в легкости прове- дения, так называемого воздушного теста целостности мембран, так как вентиляция вертикальной системы легче, а возможность меха- нического повреждения вследствие гидравлического удара мини- мальна (для горизонтальной системы проведение указанного воз- душного теста является сложной задачей).
Фильтрование на половолоконных ультрафильтрационных мембранах может осуществляться в двух режимах:
- тупиковый (прямой) режим фильтрования;
- режим тангенциального (касательного) фильтрования.
В тупиковом режиме фильтрования вся вода, подающаяся на мембрану, фильтруется через нее.

55
Все загрязнения, содержащиеся в исходной воде, накаплива- ются на поверхности мембраны и удаляются при проведении про- мывки обратным током. Тупиковый режим применяется для очистки вод, содержащих не более 40÷50 мг/дм
3
взвешенных веществ, т.е. пригоден для обработки большинства поверхностных вод.
В случае более высокого содержания взвешенных веществ ис- пользуется режим тангенциального фильтрования для предотвра- щения чрезмерного роста отложений на поверхности мембраны.
Высокие скорости тангенциального потока создают турбулент- ности в канале подачи воды, обеспечивая высокую эффективность очистки поверхности от накопленных загрязнений, что особенно эффективно для воды с высоким содержанием нерастворимых взвесей, которые могут достигать 200 мг/дм
3
. В данном случае на новой мембране не возникает эффект, связанный с достижением предельной производительности, однако вместо этого начинает оказывать действие явление забивания мембраны, и именно оно становится определяющим для ее работы. При постоянных концен- трации и давлении это явление проявляется в постепенном умень- шении потока фильтрата (вплоть до полного блокирования мембра- ны) по мере увеличения продолжительности ее работы. Забивание является результатом образования осадка коллоидных частиц на поверхности мембраны, а также связано с адсорбцией в порах мем- браны различных растворенных форм. Первый из этих процессов полностью обратим с помощью обратной промывки – операции, со- стоящей в промывке мембраны фильтратом в направлении, обрат- ном направлению фильтрации, в целях удаления скопившегося осадка. Однако, даже у мембран, обладающих достаточной гидро- фильностью, не всегда полностью восстанавливается исходная производительность, и после определенного количества рабочих

56 циклов постепенно наступает необратимое забивание мембраны. В таком случае обычно производят более эффективную химическую промывку.
3.4.2
Качество воды вырабатываемой установкой
ультрафильтрации
Качество вырабатываемой установкой ультрафильтрации во- ды оценивается по нескольким параметрам:
-
Уменьшение мутности воды. Важнейшей особенностью уль- трафильтрации является то, что мутность фильтрата абсолютно не зависит от мутности исходной воды. Даже при пиковых значениях мутности исходной воды ультрафильтрационные модули непрерыв- но обеспечивают выработку фильтрата великолепного качества, мутность которого обычно менее 0,1 NTU;
-
Уменьшение индекса плотности осадка. Индекс плотности осадка (SDI) является одним из важнейших критериев для оценки качества воды, поступающей на установки обратного осмоса. Вооб- ще говоря, питающая обратноосмотические установки вода должна иметь индекс SDI менее 3 (некоторые производители мембран до- пускают индекс SDI менее 5). Величина уменьшения индекса SDI главным образом зависит от состава подающейся на установку уль- трафильтрации воды. Кроме макроскопических частиц и взвесей, коллоидные загрязнения и растворенная органика оказывают влия- ние на величину SDI. Частицы и коллоидные загрязнения удаляются посредством ультрафильтрации полностью, удаление же раство- ренной органики главным образом зависит от размеров этих орга- нических молекул. Дозирование коагулянта в исходную воду приво- дит к улучшению селективности по органике, и, как следствие, к су- щественному уменьшению величины SDI. В зависимости от каче-