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.
В настоящее время ультрафильтрация отлично себя зарекомендовала как технология, обладающая высокой экономической эффективностью и результативностью по степени очистки воды. По своей сути, ультрафильтрация относится к механической фильтрации высокой степени очистки, так как не затрагивает минерально-солевой состав воды.
Успешность применения технологии уже многократно подтвердилась в таких отраслях, как:
Весьма эффективно ультра- и микрофильтрация зарекомендовала себя в качестве предварительной ступени очистки воды перед системами обратного осмоса, позволяя добиться высокой степени механической чистоты воды, что, в свою очередь, позволяет создать наиболее благоприятные условия для реализации технологии обратного осмоса и нанофильтрации.
Ультрафильтрация, как правило, бывает двух типов – тангенциальная и тупиковая. Наибольшее распространение получила именно тупиковая фильтрация вследствие своей экономичности и относительной простоты реализации:
Рис.А: Тангенциальная ультрафильтрация
Рис.Б: Тупиковая ультрафильтрация
Во время эксплуатации модули ультра- и микрофильтрации подвержены загрязнению органическими и неорганическими коллоидными элементами. Вследствие такого загрязнения производительность модулей снижается и необходимо проводить их периодическую чистку.
От правильности организации процесса работы ультрафильтрационных установок существенно зависит срок эксплуатации ультра- и микро- фильтрационных модулей и в процессе их проектирования (установок) необходимо учитывать условия, в которых предполагается работа системы очистки воды.
Приобретение и эксплуатация «готовых» типовых систем ультрафильтрации нецелесообразно. Все дело в том, что в каждом конкретном случае нужно учитывать состав воды, ее коллоидную, микробиологическую и органические составляющие, так как их объем и концентрация в процессе эксплуатации оказывает существенное влияние на качество очистки воды, частоту промывок модулей и срок их службы.
1. Осветление воды.
Наиболее важный аспект при внедрении новой технологии – стоимостные и качественные показатели. Компактность установок ультрафильтрации, незначительный расход химических реагентов и простота обслуживания позволяют обеспечить более низкую себестоимость осветленной воды при ее высоком качестве.
Себестоимость осветленной воды, обработанной ультрафильтрационным методом, зависит от производительности установки и качества исходной воды.
Для небольших коммерческих установок (производительность менее 100 м3/ч) себестоимость очищенной воды составляет 1,5-3,5 руб/м3. Для крупных установок (производительность более 100 м3/ч) себестоимость очищенной воды меньше: 0,5-2,0 руб/м3.
2. Использование ультрафильтрации для дезинфекции воды
Стандартные модули ультрафильтрации обеспечивают удаление бактерий и вирусов на уровне не менее 99,99%, показывая высокую технологическую и санитарную надёжность. Если сравнивать с традиционными методами дезинфекции воды (ультрафиолетовое обеззараживание, хлорирование, озонирование и т. д.), то при ультрафильтрации происходит физическое устранение микроорганизмов из воды. Это объяснимо тем, что диаметр пор в ультрафильтрационной мембране значительно меньше размеров вирусов или бактерий (вирус – 0,02…0,4 мкм, бактерия – 0,4…1,0 мкм, пора – 0,01 мкм).
Находящиеся в воде микроорганизмы не в состоянии протиснуться через мембрану ультрафильтрации.
3. Использование ультрафильтрации в качестве предварительной ступени перед системами обратного осмоса
Ультрафильтрационные модули позволяют стабилизировать коллоидный индекс SDI на уровне 1-2, что значительно сокращает частоту промывок и замены мембран обратного осмоса.
Если в качестве предварительной фильтрации перед обратным осмосом используется технология осветлитель+коагуляция, то требуется тщательный выбор флокулянтов. Обратноосмотические мембраны имеют отрицательный заряд, поэтому не допускается использование катионных флокулянтов. Использование анионных и неионогенных флокулянтов допускается при минимальных дозах.Восстановить работоспособность мембран после блокировки пор флокулянтом очень трудно. При ультрафильтрационной обработке эта проблема отсутствует.
Такие факторы, как высокая температура исходной воды, большое (перманганатная окисляемость более 3,0 мгО2/л) содержание “органики”, значительная обсемененность исходной воды, длительные межпромывочные циклы, могут вызывать проблемы с биообрастанием обратноосмотических мембран.
При традиционной технологии осветления, в воде содержится значительное количество крупномолекулярной «органики», которая может блокировать поры обратноосмотических мембран.
Ультрафильтрация позволяет обратноосмотическим системам работать с водой, имеющей очень высокий потенциал биообрастания, например очищенными хозяйственно-бытовыми сточными водами.
4. Использование ультрафильтрации в качестве предварительной ступени перед ионообменными фильтрами
Осветлительные фильтры предварительной очистки эффективны для удаления взвешенных частиц размером свыше 5,0 мкм. Ионообменные смолы достаточно хорошо задерживают коллоиды величиной 0,1-1,0 мкм, но вместе с этим происходит их «закупоривание». В результате снижается интенсивность ионного обмена и ресурс смол. Избежать этого можно, уменьшив мутность исходной воды ниже 3 NTU (нефелометрические единицы мутности). Ультрафильтрация позволяет обеспечить мутность до 0,1 NTU.
Большие сложности в процессе ионного обмена вызывают коллоиды SiO2, часто встречающиеся в воде артезианских скважин и речной воде. Полимеризация SiO2 (объединение молекул в длинные цепочки) может происходить, если значение рН меньше 7 (после H-катионирования). Удалить такие образования с поверхности смолы чрезвычайно трудно: необходимы длительные малоэффективные промывки и регенерация ионообменного материала.
Система ультрафильтрации перед ионообменными фильтрами способна удалить более 95% (а иногда и более 98%) коллоидов SiO2, предотвращая необратимое «закупоривание» ионитов.
Причиной «закупоривания» ионообменных смол может быть также рост количества микроорганизмов, особенно если в системе есть пространства, не промываемые химическими растворами. Кроме того, иногда клапаны, уплотнения и необработанные поверхности, соприкасающиеся с водой, не соответствуют техническим нормам и санитарным требованиям. При благоприятных температуре и уровне рН в таких областях активизируется процесс биообрастания. Ультрафильтрация позволяет многократно замедлить его протекание на поверхности смол.
В химической, нефтехимической промышленности, а также при очистке сточных вод ионообменные смолы подвергаются «отравлению» содержащимися в воде маслами. Они могут иметь природное происхождение и появляться в результате применения смазочных материалов или охлаждающих жидкостей. Некоторые масла легко удаляются в ходе осаждения, коалесценции или флотации. Но, например, химически или механически эмульгированные масла удаляются плохо. В большинстве случаях «закупоривание» смол эмульгированными маслами может быть так сильно, что дешевле заменить смолы, чем пытаться очистить их от масел. Ультрафильтрация позволяет обеспечить 99-процентное удаление эмульгированных масел перед последующей очисткой воды смолами.
Очень часто приходится сталкиваться и с высокомолекулярными органическими соединениями, которые загрязняют как поверхность фильтрующих гранул, так и забивают пространство между ними. Для решения этой проблемы используется активированный уголь или определенная смесь ионообменных смол. Но активированный уголь имеет тенденцию обрастать микроорганизмами и небольшой срок службы, а смолы нуждаются в более частых регенерациях (порой неэффективных). Добавим к этому простои оборудования и повышенные эксплуатационные расходы, и выбираем опять ультрафильтрацию в качестве экономически оправданного метода очистки воды от органических примесей.
5. Ультрафильтрационная обработка хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод
Мировые тенденции направлены на повторное использование очищенных сточных вод. Выгоднее не сбрасывать их в открытый водоем, а направлять после обработки ультрафильтрацией для промышленного использования. Снижается техногенная нагрузка на водоемы хозяйственно-питьевого назначения.
6. Ультрафильтрация промывных вод песчаных, осветлительных и обезжелезивающих фильтров
Ультрафильтрационная обработка промывных вод позволяет повысить степень использования воды до 99,8%.
Для этих целей применяются ультрафильтрационные фильтр-прессы, обеспечивающие механическое обезвоживание осадков.
7. Осветление воды при розливе в бутыли (осветление питьевой и минеральной воды)
Каким бы экологически чистым ни был природный источник воды, при розливе питьевой воды в бутыли фильтр тонкой очистки воды обязателен. Как правило, для этой цели применяют механический фильтр картриджного типа (например, BigBlue 20) или мешочного типа 1-5 мкм. Однако такая механическая очистка воды не позволяет получить требуемую степень фильтрации. Осветление воды методом ультрафильтрации (улучшение качества воды методом стерилизующей ультрафильтрации) – это очень перспективные методы улучшения качества воды (природных вод).
8. Ультрафильтрационная обработка речной, озерной воды и вод поверхностных источников
В России в промышленности и коммунальном хозяйстве широко используют методы осаждения и фильтрования с предварительной коагуляцией. Этот метод широкомасштабно применяется с середины XX в. До сих пор не претерпел радикальных изменений. Но данный метод эффективен в основном при удалении примесей природного происхождения. За последние десятилетия значительно возросло количество техногенных загрязняющих веществ, которые не всегда могут быть удалены из воды отстаиванием и фильтрованием. По новым санитарным нормативам насчитывается около 1000 контролируемых химических веществ. Большие проблемы вызывает первичное хлорирование воды, приводящее к образованию сотен хлорорганических соединений.
О содержании органических веществ судят по окисляемости воды. Причем, как правило, измеряют перманганатную окисляемость воды. Но этот показатель не отражает истинного качества воды по содержанию «органики», так как техногенные органические соединения очень трудно окисляются перманганатом калия. Недельные наблюдения за составом воды в р. Кама показали изменения перманганатной окисляемости в диапазоне от 3,36 до 4,16 мгО2/л, а бихроматной – от 15 до 43 мгО2/л. Это обусловлено постоянно меняющимся составом органических соединений. В этих условиях возникают трудности в выборе оптимальной дозы коагулянта, что приводит к нестабильной работе осветлителей и дополнительной нагрузке на последующие стадии очистки. Введение дополнительных стадий очистки (озонирование, сорбция активированным углем и др.) приводит к увеличению эксплуатационных расходов и, соответственно, себестоимости очищенной воды.
На сегодняшний день обеспечение населения чистой и качественной питьевой водой стало действительно государственной проблемой. Большинство традиционных способов получения воды питьевого качества на основе коагулирования, флотации, хлорирования, отстаивания и фильтрования обладают целым рядом существенных недостатков:
Вышеперечисленных недостатков лишен ультрафильтрационный мембранный метод очистки воды (ультрафильтрация), применяемый для получения питьевой воды в промышленности и коммунальном хозяйстве непосредственно из поверхностного источника.
Из воды удаляются взвешенные частицы, коллоиды, бактерии, вирусы, водоросли и высокомолекулярные органические соединения. При предварительной коагуляции эффект осветления и степень извлечения органических соединений существенно увеличивается. Такой метод малочувствителен к изменениям дозы коагулянта, так как образующиеся хлопья отфильтровываются независимо от их размера. При этом не требуется продолжительное время для формирования крупных хлопьев и отпадает необходимость в камере хлопьеобразования. Качество очищенной воды после обработки на ультрафильтрационной мембране стабильно хорошее независимо от состава исходной воды и безопасна по микробиологическим показателям.
Нашими специалистами успешно внедряются системы очистки воды на основе технологии ультрафильтрации и ультрафильтрационных комплексов серии ULTRA, производимых нашей компанией.
В качестве модулей мы используем ультрафильтрационные мембраны компаний Basf-INGE, DOWChemical и HORIMEM. На практике технология неоднократно доказала свою эффективность в качестве как самостоятельного блока очистки воды, так и в комбинировании с технологиями обратного осмоса, коагуляции, флотации, аэрации и озонирования.
Технологи компании в кратчайшие сроки помогут осуществить проектирование и производство необходимой системы очистки воды непосредственно под нужны и задачи вашего предприятия.
