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 м³ 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.

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 м²), 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.

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).

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/м³), меньшее количество распределительных трубопроводов и арматуры.

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: