Обработка воды

Статья обработка воды методом ультрафильтрации подготовлена по материалам А. П. АНДРИАНОВ, А. Г. ПЕРВОВ

Обработка воды — ультрафильтрация и нанофильтрация

Все больше внимания в настоящее время уделяется поиску новых перспективных методов обработки воды, более компактных, дешевых, простых в эксплуатации по сравнению с традиционными. К их числу относятся мембранные методы: ультрафильтрация и нанофильтрация.

Оба метода обработки воды имеют сходное аппаратурное оформление, но в технологическом плане имеются принципиальные различия. Если при эксплуатации нанофильтрационных установок накопившиеся в процессе работы на поверхности мембран осадки (задержанные из воды загрязнения) удаляются с помощью химических промывок (т. е. с применением реагентов), то при эксплуатации ультрафильтрационных мембран удаление загрязнений с поверхности мембран производится обратным током, как у фильтров с зернистой загрузкой. Поэтому обработка воды безреагентной ультрафильтрацией считается за рубежом технологией будущего.

Ультрафильтрация – это мембранный процесс обработки воды, занимающий промежуточное положение между нанофильтрацией и микрофильтрацией. Ультрафильтрационные мембраны имеют размер пор от 20 до 1000 Å (или 0,002–0,1 мкм) и позволяют задерживать тонкодисперсные и коллоидные примеси, макромолекулы (нижний предел молекулярной массы составляет несколько тысяч), водоросли, одноклеточные микроорганизмы, цисты, бактерии и вирусы. 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.

Технология обработки воды с помощью ультрафильтрационных мембран заключается в «тупиковой» фильтрации воды через мембрану без сброса концентрата. Такой режим работы по­зволяет сократить расход воды на собственные нужды станции очистки и уменьшить ее общее энергопотребление. Процесс фильтрования длится 20-60 мин, после чего следует обратная промывка мембраны. Для этого часть очищенной воды под давлением подается в фильтратный тракт в течение 20-60 с. В процессе обратной промывки вода уносит с поверхности мембран слой накопившихся загрязнений. На рис. 1 показаны устройство и схема работы ультрафильтрационных рулонных элементов обработки воды.

Рис. 1. Обработка воды. Ультрафильтрационный модуль а — рабочий режим; б — режим промывки; 1  — исходная вода; 2 — фильтрат; 3 — рулонный элемент; 4 — сброс концентра­та; 5 — обратная промывка фильтратом

В процессе обработки воды производительность мембранных аппаратов постепенно уменьшается, так как на турбулизаторной сетке, на поверхности и на стенках пор мембран 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.

При конструировании систем обработки воды на основе метода ультрафильтрации основной задачей, встающей перед проектировщиком, является правильное определение продолжительности прямого фильтрования, а также частоты и интенсивности обратных промывок. Эти параметры зависят от качества исходной во­ды и определяются исходя из оп­тимальных соотношений обработки воды — производительности ультрафильтра­ционной установки и ее общего водопотребления. Правильный выбор режима обработки воды обеспечивает эффективную работу установки, заключающуюся в длительном сохранении производительности и качества фильт­рата. Авторами на примере обез­железивания подземной воды была разработана методика поиска оптимальных параметров работы ультрафильтрационной установки при обработке воды.

Обработка воды. Исследования

Эффективность обратной про­мывки зависит от ее интенсивности (при неизменном давлении промывки можно оперировать длительностью обратной промывки) τ и интервала между про­мывками (продолжительность фильтроцикла) t. При заданном времени τ эффективность работы установки обработки воды зависит от продолжительности t: чем меньше t, тем эффективнее проходит отмывка мембраны от загрязнений, но тем больше образуется промывной воды. Исследования по оптимизации процесса обратной промывки ставят целью определить такие значения τ и t для различного состава обрабатываемой воды, которые соответствуют наибольшему количеству очищенной воды, полученной в течение времени Т. Исследования по обработке воды проводились на модельных растворах хлорида железа (III) на ультрафильтрационных мембранах марки УАМ-150. На рис. 2 показано снижение производительности мем­бранного аппарата с течением времени для разных концентраций железа в исходной воде.

Обработка воды. Оптимальные соотношения

Для определения оптимальных величин продолжительности фильтроцикла и промывки проводилось несколько серий экспериментов с различной продолжительностью обратной про­мывки. В каждой серии при фик­сированной длительности обратной промывки менялась продол­жительность фильтроцикла. Зависимости объема фильтрата и промывной воды от времени работы установки для одной серии экспериментов приведены на рис. 3 (продолжительность обратной промывки 30 с).

Поиск оптимальных соотношений длительности фильтроцикла и промывки производится по максимальной полезной производительности мембранного аппарата, которую можно определить как V_полезн = V_ф — V_пр.. Сначала оптимальные точки находились отдельно для каждой продолжительности промывки. На рис. 4 показано определение оптимальной продолжительности фильтроцикла при длительности промывки 30 с. Затем полученные кривые зависимости полезного объема чистой воды от продолжительности фильтроцикла сводятся в один график (рис. 5), и по точкам максимумов этих кривых строится результирующая кривая, которая позволяет определить максимальное количество очищенной воды в зависимости от t и τ и соответственно найти оптимальную длительность обратной промывки. Эксперименты по приведенному алгоритму обработки воды определения точки оптимума повторяются для различных концентраций железа в исходной воде.

Таким образом, полученные в результате проведенных экспериментов данные могут использоваться в качестве рекомендаций при разработке систем обработки воды на основе мембран­ной ультрафильтрации.

Помимо указанных выше параметров на эффективность работы мембранных аппаратов влияет величина давления: рабочего и обратной промывки. При определении точки оптимума не­обходимо учитывать не только полезную производительность, но и объемы исходной и сбрасываемой в канализацию воды, при этом вычисление оптимальных соотношений длительности промывки и фильтроцикла производится на основе экономических расчетов.

В результате исследований разработаны технологические схемы и конструкции установок, предназначенных для обработки подземных вод с повышенным содержанием железа. В зависимости от состава исходной воды производится выбор той или иной модификации установок для обработки воды, отличающихся устройством аэ­рации и маркой используемых мембран. Вместе с удалением железа на установках обеззараживают воду без использования реагентов, удаляют сероводород и осветляют воду в случае выноса из скважины глинистых частиц.

Метод обработки воды с помощью ультрафильтрации рекомендуется применять при следующих показателях качества исходной воды: железо общее – не более 40 мг/л; щелочность – не более (1+Fe²⁺/28) мг-экв/л; рН – не менее 6 (водородный показатель воды после аэрации должен быть не менее 6,7-7); содержание Н₂S – не более 5 мг/л; перманганатная окисляемость – не более 6-10 мг/л.

При содержании железа до
5 мг/л и сероводорода до 2 мг/л применяется схема с упрощенной аэрацией и фильтрованием на мембранах типа УАМ-500 и УАМ-1000. При содержании железа до 20-40 мг/л и сероводорода выше 2 мг/л используется аэрация эжектированием или барботированием и дополнительная упрощенная аэрация. При содержании в исходной воде трудноокисляемого железа, низких значениях рН и отсутствии растворенной углекислоты степень аэрации увеличивается. В зависимости от продолжитель­ности процесса окисления двухвалентного железа и расчетной производительности установки обезжелезивания назначается объем аэрационных сооружений.

При наличии в исходной воде грубодисперсных примесей и песка в начале  технологического тракта предусматривается сетчатый самопромывающийся фильтр с размером ячеек 100- 200 мкм. Внешний вид и принципиальная технологическая схема установки обработки воды приведены на рис. 6 и 7. В зависимости от содержания железа  и мутности исходной воды потребление воды на собственные нужды станции составляет не более 3-5 %, удельная потребляемая мощность 1,5-2 кВт∙ч/м³.

Обработка воды. Выводы

Теоретически обоснован и разработан процесс обработки воды методом ультрафильтрации. Предложена методика расчета параметров эксплуатации систем ультрафильтрации, на основании которой в зависимости от состава очищаемой воды назначаются: величина рабочего давления, продолжительность фильтроцик­ла, время обратной промывки, процент расхода воды на собственные нужды станции. Разработанные рекомендации легли в основу создания систем обработки воды, используемых НИИ ВОДГЕО для обезжелезивания воды и улучшения качества водопроводной воды на объектах водоснабжения.