Nie jest tajemnicą, że zanieczyszczeń mechanicznych i osadów z wody można się pozbyć oczyszczając ją. A im mniejsze cząstki, tym trudniej je usunąć. Jeszcze nie tak dawno nie było możliwości usunięcia cząstek koloidalnych bez użycia specjalnych odczynników koagulujących, a mechaniczne usunięcie mikroorganizmów wydawało się zupełnie niemożliwe. Ale dzięki nowoczesnej technologii wszystko się zmieniło. O tym, czym jest system ultrafiltracji wody, jego cechach, zaletach i wadach, dowiesz się z naszego artykułu.
Z tego artykułu dowiesz się:
Co to jest system ultrafiltracji wody
Co zapewnia system ultrafiltracji wody?
Jakie są zalety systemu ultrafiltracji wody?
Jakie są wady systemu ultrafiltracji wody?
Co to jest system ultrafiltracji wody?
Ultrafiltracja wody to metoda oczyszczania wody, która polega na przepuszczeniu wody przez membranę o wielkości porów 0,002–0,1 mikrona pod określonym ciśnieniem. Systemy ultrafiltracji wody pozwalają na eliminację cząstek zawieszonych o wielkości powyżej 0,01 mikrona (zanieczyszczeń koloidalnych, bakterii, wirusów, makrocząsteczek organicznych) z cieczy wodnych miejskich i lokalnych wodociągów (studnie artezyjskie, studnie itp. – podobnie jak w przypadku stosowania filtry do oczyszczania wody z dławika).
Ultrafiltracja wody jest skuteczną, niezbyt kosztowną i przyjazną dla środowiska metodą oczyszczania wody z submikronowych zanieczyszczeń mechanicznych. W nowoczesne systemy ultrafiltracja wody wykorzystuje włókna składające się z porów o wielkości około 0,01 mikrona.
– proces separacji membranowej i zatężania roztworów. Procedura ultrafiltracji przeprowadzana jest pod wpływem różnicy ciśnień poprzedzającej i następującej po jej montażu. Ultrafiltracja jest podobna do systemów odwróconej osmozy, także pod względem konstrukcji sprzętu. Jednak wymagania dotyczące usuwania stężonego roztworu z powierzchni membrany są znacznie większe. Schemat rozpatrywanego procesu, mówiąc relatywnie, mieści się pomiędzy filtracją mechaniczną a odwróconą osmozą.
Zastosowanie systemów ultrafiltracji jest znacznie szersze niż systemów odwróconej osmozy i filtrów odżelaziających, ponieważ ultrafiltracja pozwala rozwiązać problem frakcjonowania (selektywnego usuwania cząstek). Ultrafiltrację stosuje się do rozdzielania układów, w których masa cząsteczkowa rozpuszczonych składników jest znacznie większa od masy cząsteczkowej rozpuszczalnika.
Podczas badania wody stosuje się system ultrafiltracji w przypadkach, gdy masa cząsteczkowa co najmniej jednego składnika mieszaniny wynosi 500 lub więcej. Podobnie jak w przypadku systemów odwróconej osmozy, zasada działania ultrafiltracji opiera się na różnicy ciśnień. Proces ultrafiltracji zachodzi pod ciśnieniem 0,1–1 MPa. Można także zastosować system zmiękczania wody – pozwala to uzyskać najlepszy skład tego płynu.
Wady systemu ultrafiltracji wody obejmują: mały zakres technologiczny, ponieważ procedura jest możliwa tylko przy ścisłym przestrzeganiu wszystkich warunków (ciśnienie, temperatura, skład rozpuszczalnika itp.); niemożność długotrwałego stosowania membran (1–3 lata) ze względu na tworzenie się osadów na powierzchni, a także w samych porach, w wyniku czego membrany ulegają zatykaniu i restrukturyzacji.
W porównaniu z ultrafiltracją oczyszczanie wody z żelaza jest procedurą bardziej ekonomiczną. Membrana stosowana w systemach ultrafiltracji wody blokuje przepływ cząstek stałych, bakterii, wirusów, endotoksyn itp., co skutkuje bardzo wysoką czystością powstałej cieczy. Procedura ta znajduje szerokie zastosowanie w celu wstępnego oczyszczania wód powierzchniowych i morskich oraz biologicznego oczyszczania ścieków komunalnych.
Membrany z pustych włókien umożliwiają ultrafiltrację wody w następujący sposób:
„Przepływ krzyżowy” – ciecz dzieli się na filtrat i koncentrat, który jest odprowadzany do kanalizacji;
„Ślepy zaułek” – proces filtracji przez włókna zostaje przerwany przez płukanie bezpośrednie i/lub odwrotne, co pozwala zmniejszyć zużycie wody.
Co zapewnia system ultrafiltracji wody w procesie uzdatniania wody?
Klarowanie wody
Kiedy pojawia się nowy rozwój oczyszczający woda pitna Głównymi kryteriami oceny są: charakterystyka uzyskanej próby oraz wielkość zasobów wydatkowanych na ten proces. System ultrafiltracji wody jest dość kompaktowy, nie wymaga skomplikowanej konserwacji i dużego zużycia odczynników chemicznych, dzięki czemu uzyskana klarowna woda ma niski koszt i doskonałą jakość. W przypadku ultrafiltracji na koszt wody wpływa bezpośrednio moc instalacji systemu i jakość surowca.
Małe instalacje komercyjne (wydajność poniżej 100 m 3 / h) umożliwiają uzyskanie oczyszczonej wody, której koszt wynosi 1,5–3,5 rubla / m 3. A duże (o wydajności większej niż 100 m 3 / h) są podobnym wskaźnikiem, którego wartości nie przekraczają 0,5–2,0 rubli / m 3.
Rozważmy zalety stosowania membran ultrafiltracyjnych w porównaniu do technologii alternatywnych:
niskie ciśnienie robocze (1–2 atm) i wysoka skuteczność ultradrobnej filtracji;
pięciokrotne obniżenie kosztów produkowanej wody;
zwarta konstrukcja, dzięki czemu zajmuje trzy razy mniej miejsca;
wymaga znacznie mniej odczynników (ponad 10 razy);
pozwala zmniejszyć o połowę zużycie wody;
Wymaga połowy kosztów energii;
prosty system automatyki;
pozwala osiągnąć stuprocentowe usunięcie zawieszonych cząstek stałych;
niemal całkowicie dezynfekuje (usuwając 99,99% bakterii i wirusów);
klaruje wodę (zmniejsza zmętnienie i barwę);
doskonale usuwa żelazo i mangan z cieczy;
usuwa krzem koloidalny i materię organiczną;
sprzyja ultradokładnemu czyszczeniu (stopień filtracji 0,01 mikrona);
zachowuje skład soli cieczy wodnej;
pozwala obniżyć koszty inwestycyjne budowy budynku w celu umieszczenia nowego sprzętu.
Dezynfekcja wody
Zastosowanie standardowych elementów systemu ultrafiltracji wody pozwala pozbyć się 99,99% bakterii i wirusów, co charakteryzuje tę metodę jako wysoce technologiczną i skuteczną. W porównaniu do tradycyjnych metod dezynfekcji (dezynfekcja ultrafioletem, chlorowanie, ozonowanie, dozowanie dwutlenku chloru itp.), ultrafiltracja sprzyja fizycznemu usuwaniu mikroorganizmów z cieczy.
Wynika to z faktu, że wielkość porów membrany stosowanej w systemie ultrafiltracji jest znacznie mniejsza niż w przypadku wirusów i bakterii (wirusy - 0,02-0,4 mikrona, bakterie - 0,4-1,0 mikrona, pory - 0,01 µm). Oznacza to, że cząsteczki szkodliwych substancji nie mogą przedostać się przez tak małe otwory w arkuszu membrany. Dzięki ultrafiltracji nie ma potrzeby chlorowania wody, a procedurę dezynfekcji przeprowadza się przed podaniem wody do spożycia.
Praca z filtrami jonowymiennymi
Stosowaniu filtrów jonowymiennych (szczególnie w kompleksie energetyczno-przemysłowym) czasami towarzyszą pewne trudności. Podczas opracowywania projektów systemów filtracji wody praktycznie nie bierze się pod uwagę struktury granulometrycznej cieczy. Filtry wstępne klaryfikacyjne i mikrofiltracyjne skutecznie oddzielają cząstki zawieszone o wielkości przekraczającej 1,0 mikrona.
Mniejsze cząstki (0,1–1,0 µm) blokuje się za pomocą żywice jonowymienne nie da się jednak uniknąć „zatykania”. Efektem jest zmniejszenie dynamiki wymiany jonowej, a także zmniejszenie efektywności działania żywic. Procesowi temu można zapobiec, zmniejszając zmętnienie źródłowej cieczy wodnej poniżej trzech nefelometrycznych jednostek mętności (NTU). Zastosowanie systemu ultrafiltracji wody pozwala uzyskać zmętnienie na poziomie 0,1 NTU.
Proces wymiany jonowej mogą komplikować koloidy SiO 2 zawarte w cieczy wodnej (występującej w wodzie artezyjskiej i rzecznej). Rozpoczęcie procesu polimeryzacji SiO 2 (łączenia cząsteczek w długie łańcuchy) następuje, gdy wartość pH jest mniejsza niż 7 (po kationizacji H). Usunięcie takich nalotów z powierzchni żywicy jest dość trudne: konieczne będzie mycie (długie i nieskuteczne) i regeneracja filtrów jonowymiennych.
Jeśli zastosujesz system ultrafiltracji wody przed określonymi filtrami, możesz osiągnąć usunięcie 95% (w niektórych przypadkach ponad 98%) koloidów SiO 2, zapobiegając w ten sposób „zatykaniu” wymienników jonowych. Żywice mogą również zostać „zatkane” ze względu na wzrost liczby bakterii, co jest bardzo ważne w przypadku systemów, których obszary nie są traktowane roztworami chemicznymi.
Zdarzają się również przypadki, w których zawory, uszczelki i nieobrobione powierzchnie mające kontakt z wodą odbiegają od standardów technicznych i sanitarnych. Obecność określonych warunków w tych obszarach (temperatura i poziom pH) wpływa pozytywnie na wygląd mikroorganizmów biologicznych. Procedura ultrafiltracji znacząco hamuje rozwój tego procesu na powierzchni żywicy.
Praca z filtrami odwróconej osmozy
W systemach odwróconej osmozy jako filtry wstępne stosuje się zwykle filtry workowe lub wkładowe o stopniu filtracji 5 mikronów. Zastąpienie ich ultrafiltracją obniży koszty operacyjne, ponieważ wydłuży się czas użytkowania.
Tłumaczy się to stabilizacją koloidalnego indeksu SDI na poziomie 1-2 przez nowe moduły, co zmniejszy częstotliwość mycia i wymiany membran odwróconej osmozy.
Stosując odstojniki i koagulanty na etapie wstępnej filtracji wody przed odwróconą osmozą należy starannie dobierać substancje wywołujące procesy flokulacji i koagulacji. Ujemny ładunek membran odwróconej osmozy uniemożliwia zastosowanie kationowych flokulantów.
Flokulanty anionowe i niejonowe można stosować w minimalnych dawkach. Przywrócenie membrany do działania po zablokowaniu porów flokulantem jest dość trudne. Problem ten nie pojawia się w przypadku stosowania systemu ultrafiltracji wody.
Systemy ultrafiltracji wody: zalety i wady
Zalety ultrafiltracji:
System ultrafiltracji uważany jest za najnowsze osiągnięcie, którym zainteresowanie wzrasta nie tylko ze względu na dobre wyniki czyszczenia. Roztwory w instalacji ultrafiltracyjnej nie są poddawane wpływom termicznym i chemicznym (w porównaniu do procedury flotacji wody), dlatego przy tej metodzie oczyszczania można stosować roztwory wrażliwe na temperaturę.
Wyniki doskonałych wskaźników efektywności i energii włożonej w ich uzyskanie są naprawdę imponujące (np. destylacja wymaga od 20 do 60% więcej energii). Pod tym względem ultrafiltracja jest najtańszą metodą. Jego zastosowanie pozwala również na uzyskanie bardzo skutecznego zmiękczania cieczy wodnych.
Stosując systemy ultrafiltracji wody, możliwa staje się regeneracja cennych składników zawartych w ściekach (inne metody są w tym przypadku nieskuteczne).
Układy ultrafiltracji wody wyposażone są w membrany wykonane z dość trwałego materiału, co pozwala uzyskać wysokiej jakości roztwór wzbogacony na wyjściu mieszaninami. Tutaj jakość sprzętu jest warunkiem podstawowym. Systemy ultrafiltracji są szeroko stosowane do oczyszczania wód naturalnych o niskim mętności ze związków organicznych i mikroorganizmów. Jeśli występują poważne zanieczyszczenia (bar, stront itp.), należy zastosować filtr bocznikowy.
Systemy ultrafiltracji są stosowane w różnych dziedzinach. Rozważana metoda czyszczenia membran jest najpopularniejsza. Dlatego stosuje się go po zastosowaniu filtrów ziarnistych i włóknistych.
Metoda ultrafiltracji pozwala na oddzielenie roztworu od włókien i cząstek stałych, gdzie stosowane są systemy sorpcji i wymiany jonowej.
Ultrafiltracja wody może również usunąć oleje z wody. W tym celu stosuje się również filtr AG, co nie zawsze jest możliwe, ponieważ działa w określonych temperaturach.
Jak każdy projekt techniczny, system ultrafiltracji wody ma swoje wady. Należą do nich gromadzenie się osadu helu na powierzchni membrany, co uniemożliwia dalszą filtrację, ponieważ ma on większą siłę oporu hydraulicznego niż zastosowana tkanina ultrafiltracyjna. Zjawisko to nazywa się polaryzacją koncentracji. Określa się miejsce koncentracji osadów fizyczne i chemiczne właściwości Substancje.
Istnieją następujące sposoby rozwiązania tego problemu:
podawać roztwór w trybie pulsacyjnym za pomocą pompy dozującej;
dostarczaj przepływ turbulentny;
zwiększyć natężenie przepływu płynu roboczego.
Jak widać, system ultrafiltracji wody ma swoje własne cechy, dlatego lepiej zwrócić się do profesjonalistów, aby go wybrać i zainstalować. NA Rynek rosyjski Istnieje wiele firm opracowujących systemy uzdatniania wody. Wybór takiego lub innego rodzaju filtra wody jest dość trudny samodzielnie, bez pomocy profesjonalisty. Co więcej, nie powinieneś samodzielnie instalować systemu uzdatniania wody, nawet jeśli przeczytałeś kilka artykułów w Internecie i wydaje ci się, że już wszystko zrozumiałeś.
Bezpieczniej jest skontaktować się z firmą zajmującą się montażem filtrów, która świadczy pełen zakres usług - konsultacje specjalistyczne, analizę wody ze studni lub studni, dobór odpowiedniego sprzętu, dostawę i podłączenie systemu. Ponadto ważne jest, aby firma zapewniała konserwację filtra.
nasza firma Biokit oferuje szeroki wybór systemów odwróconej osmozy, filtrów do wody i innego sprzętu, który pozwala przywrócić wodzie kranowej jej naturalne właściwości.
Specjaliści naszej firmy są gotowi Ci pomóc:
samodzielnie podłącz system filtracji;
zrozumieć proces wyboru filtrów do wody;
wybierz materiały zamienne;
rozwiązywać problemy lub rozwiązywać problemy przy zaangażowaniu wyspecjalizowanych instalatorów;
znajdź odpowiedzi na swoje pytania przez telefon.
Zaufaj systemom uzdatniania wody firmy Biokit – niech Twoja rodzina będzie zdrowa!
Ultrafiltracja— proces usuwania cząstek zawieszonych i koloidalnych w zakresie wielkości od 0,03 do 0,1 µm na niskociśnieniowych membranach z polimerowych włókien kanalikowych.
Celem instalacji ultrafiltracyjnej w ramach systemu oczyszczania wody jest przygotowanie wody według wskaźników jakościowych przed etapem odsalania.
Wody naturalne są złożonym, wieloskładnikowym składnikiem układ dynamiczny, do którego zaliczamy sole (głównie w postaci jonów, cząsteczek i kompleksów), substancje organiczne (w związkach molekularnych i w stanie koloidalnym), gazy (w postaci cząsteczek i związków uwodnionych), rozproszone zanieczyszczenia, bakterie i wirusy. Zatem niezwykle złożony skład molekularny wody powierzchniowe, a także sezonowe zmiany takich parametrów, jak zmętnienie, barwa i utlenialność, nie pozwalają na dokładne obliczenie pracy jednostki ultrafiltracyjnej i przewidzenie trybu jej pracy. Aby określić efektywny tryb pracy jednostki ultrafiltracyjnej, należy poprawnie obliczyć schemat ultrafiltracji i przeprowadzić go Praca projektowa wymagane są badania pilotażowe.
Aby usprawnić pracę instalacji ultrafiltracyjnej (zwiększyć właściwą wydajność filtracji), warto podgrzać wodę źródłową do temperatury 20-25°C.
Skład jednostki ultrafiltracyjnej
Instalacja ultrafiltracyjna składa się z następujących bloków:
- wstępne czyszczenie,
- moduły filtrujące,
- systemy dozowania koagulantu,
- przepłukanie instalacji.
Schemat ideowy instalacji ultrafiltracyjnej
Jednostka wstępnego czyszczenia Jednostka ultrafiltracyjna (UF) składa się ze źródłowej pompy wodnej, zwykle firmy Grundfos, oraz filtra wstępnego z średnicą odcięcia 200 µm, aby zapobiec zanieczyszczeniu membran grubą zawiesiną.
Bloki modułów filtrujących przeznaczony do przeprowadzania procesu filtracji.
Jednostka dozująca koagulant przeznaczony do powiększania zanieczyszczeń i ułatwiania ich usuwania. Zespół dozowania koagulantu składa się z pomp dozujących i zbiornika przygotowania koagulantu. Jako koagulant w ultrafiltracji zwykle stosuje się politlenochlorek glinu, na przykład Aqua-Aurat 18.
W celu magazynowania godzinnego zapasu wody źródłowej i zapewnienia niezależności pracy oczyszczalni według parametrów hydraulicznych, zbiornik na wodę źródłową.
Aby zapewnić wymagane parametry hydrauliczne instalacji, instalacja ultrafiltracji obejmuje: przepompownia woda źródłowa.
Poniżej opisano przeznaczenie elementów Algorytm działania instalacji ultrafiltracyjnej.
Woda jest pobierana ze zbiorników źródłowych za pomocą pomp w celu oczyszczenia. Przed pompami wody źródłowej koagulant jest dostarczany do wody oczyszczonej za pomocą pompy dozującej o natężeniu przepływu proporcjonalnym do natężenia przepływu wody źródłowej. Zużycie koagulanta określane jest podczas testów pilotażowych instalacji ultrafiltracji.
Dozowanie koagulanta pozwala skutecznie zredukować związki organiczne i zawierające żelazo, umożliwia powiększenie zawartych w nim cząstek substancji koloidalnych, zwiększając tym samym efektywność procesu oczyszczania wody.
Po oczyszczeniu koagulantem woda źródłowa kierowana jest do filtra wstępnego, a następnie do modułów filtrów ultrafiltracyjnych.
Woda po modułach ultrafiltracyjnych jest kierowana do zbiornika z oczyszczoną wodą.
Płukanie wsteczne i chemicznie wzmocnione płukanie modułów filtracyjnych odbywa się przy użyciu jednostka płucząca instalacja ultrafiltracyjna, składająca się z pomp płuczących, filtrów zgrubnych o średnicy odcięcia 200 mikronów zapobiegających przedostawaniu się dużych zanieczyszczeń ze zbiornika, pomp dozujących kwas siarkowy, pomp dozujących oraz zbiornika dozującego biocyd. Płukanie wsteczne przeprowadza się 3-5 razy na godzinę w celu usunięcia zawiesin zgromadzonych podczas filtracji przy użyciu wstecznego przepływu oczyszczonej wody. Płukanie wzmocnione chemicznie przeprowadza się 1-3 razy dziennie i pozwala na oczyszczenie membran ultrafiltracyjnych z zanieczyszczeń organicznych (płukanie alkaliczne) i nieorganicznych (płukanie kwasem).
Całe przełączanie przepływu w instalacji odbywa się automatycznie przez zautomatyzowany system kontroli procesu (APCS). Parametry procesu klarowania (ciśnienie, przepływ, pH) kontrolowane są na podstawie odczytów zainstalowanych przyrządów.
Podstawowe parametry stosowania jednostek ultrafiltracyjnych
Jakość oczyszczonej wody: Substancje zawieszone w wodzie źródłowej do 1000 mg/l
Spadek kluczowych wskaźników w % w stosunku do początkowych:
- Zawiesiny stałe: do 100%
- Utlenialność: do 70%
- Żelazo: do 97%
- Kolor: do 96%
- OMC: do 99,9%
Porównanie ultrafiltracji i oczyszczania tradycyjnego
Przez tradycyjne czyszczenie rozumiemy odstojniki i filtry mechaniczne.
Ultrafiltracja:
- możliwość uzyskania wody o jakości pitnej
- ścisłość
- pełna automatyzacja i autonomia pracy
- w większości przypadków pierwotne chlorowanie nie jest wymagane
- niskie koszty eksploatacji
Tradycyjne czyszczenie:
- jakość wody nie zawsze odpowiada normom pitnym
- masywność
- złożoność automatyzacji (odstojniki)
- wymagane chlorowanie pierwotne
- wysokie koszty operacyjne
Krótki opis bloków jednostek ultrafiltracyjnych
a) Blokada krzepnięcia przeznaczony do powiększania zanieczyszczeń i lepszego ich usuwania w jednostkach ultrafiltracyjnych. Agregat koagulacyjny wyposażony jest w zbiorniki dozujące koagulant, pompy dozujące (redundancja), oprzyrządowanie, rurociągi i niezbędną armaturę. Planowane jest zastosowanie ciekłego koagulantu – politlenku glinu (rodzaj i dawka odczynnika zostaną określone podczas badań pilotażowych).
Na życzenie klienta istnieje możliwość wykorzystania istniejącego koagulantu oraz układu przygotowania roztworu odczynnika roboczego. Przybliżone roczne zużycie 100% koagulantu może wynosić około 135 ton.
b) Blok pompy wody źródłowej przeznaczony do dostarczania wody do jednostek membranowych instalacji. Wyposażona jest w pompy Sulzer z przetwornicą częstotliwości, oprzyrządowanie, rurociągi i niezbędną armaturę. Każdy blok membranowy jest wyposażony we własną pompę wody źródłowej.
c) Blok filtra zgrubnego Aby chronić membrany ultrafiltracyjne przed gruboziarnistymi zawiesinami, zastosowano samoczyszczący filtr ochronny z barierą ochronną o dokładności filtracji 200 µm. Filtry są myte automatycznie w zależności od czasu lub różnicy ciśnień. Jednostka myjąca wyposażona jest w pompy wody źródłowej, które dostarczają wodę do membran. Wszystkie pompy wyposażone są w przetwornice częstotliwości.
d) Blok modułów filtrujących. Instalacja ultrafiltracyjna wyposażona jest w bloki elementów membranowych, w tym 1 blok zapasowy na 10 pracowników (przybliżona wydajność jednego bloku w zależności od zadania wynosi 50-150 m 3 /h).
Podczas normalnej pracy instalacji pracują wszystkie jednostki. Specyficzny przepływ filtracyjny wody ze źródła powierzchniowego wynosi zwykle 50-70 l/m 2 × h i jest wyjaśniany podczas testów pilotażowych i rozruchu.
e) Jednostka płucząca membranę działa w dwóch trybach:
- płukanie wsteczne;
- pranie wzmocnione chemicznie.
Podczas chemicznie wzmocnionego przemywania roztwory wodorotlenku sodu i środka utleniającego (podchlorynu sodu) oraz kwasu siarkowego wprowadza się do strumienia powrotnego filtratu do zespołu membranowego.
Chemicznie wzmocnione mycie alkaliczne przeprowadza się za pomocą 30% NaOH i 14% NaOCl w stosunku 3:1. Mycie kwasem wzmocnionym chemicznie wykonuje się stężonym kwasem siarkowym. Całe przełączanie strumieni odbywa się automatycznie.
Przybliżona częstotliwość płukania wstecznego wynosi raz na 20-60 minut (czas trwania 1 minuta); mycie chemiczne - raz dziennie. Hydrauliczne tryby pracy instalacji ustalane są podczas prób pilotażowych.
Jednostka płucząca wyposażona jest w filtry siatkowe i pompy płuczące (pracujące i rezerwowe) z przemiennikami częstotliwości.
Prezentacja w formacie PDFAby przedstawić ofertę techniczną i handlową należy wypełnić formularz zamówienia.
Mayboroda A. B., kandydat nauk chemicznych, dyrektor techniczny, Fathercraft LLC
Katraeva I. V., kandydat nauk technicznych, profesor nadzwyczajny Wydziału Ekologii i Zarządzania Środowiskiem oraz Wydziału Zaopatrzenia w Wodę i Sanizacji, Państwowy Uniwersytet Architektury i Inżynierii Lądowej w Niżnym Nowogrodzie (NNGASU)
Kolpakov M.V., kandydat nauk technicznych, technolog, Jurbi VoteTek LLC
W artykule przedstawiono wyniki badań doczyszczania biologicznie oczyszczonych ścieków z jonów fosforanowych i zawiesin metodą ultrafiltracji w połączeniu z koagulacją. Do ultrafiltracji stycznej w trybie „outside-in” wykorzystano moduł z pustych włókien rosyjskiej firmy Fathercraft LLC (Moskwa) z membranami z polifluorku winylidenu (PVDF). Badano wpływ takich parametrów jak ciśnienie transmembranowe i natężenie przepływu krążącego roztworu na proces filtracji. Badania wykazały, że proponowana technologia pozwala na niemal całkowite oczyszczenie ścieków z zawiesin oraz redukcję stężenia fosforanów o 97%.
Słowa kluczowe: ultrafiltracja, trzeciorzędowe oczyszczanie ścieków, usuwanie fosforanów, usuwanie zawiesin
Przedostawanie się wraz ze ściekami do źródeł wód powierzchniowych nadmiernych ilości składników pokarmowych (azotu i fosforu) prowadzi do zaburzenia stanu ekosystemów wodnych i rozwoju procesu eutrofizacji zbiorników wodnych. Do usuwania nadmiaru fosforu ze ścieków poddawanych głębokiemu oczyszczaniu biologicznemu najczęściej stosuje się metodę fizykochemiczną z wykorzystaniem różnych koagulantów mineralnych. Osad zawierający fosforany oddziela się przez sedymentację i filtrację. Ultrafiltracja zapewnia wysoki stopień oczyszczenia filtratu, dlatego jest coraz częściej stosowana w schematach technologicznych dodatkowego oczyszczania ścieków.
W laboratorium NNGASU przeprowadzono badania eksperymentalne nad doczyszczaniem biologicznie oczyszczonych ścieków bytowych po osadniku wtórnym z wykorzystaniem technologii obejmującej oczyszczanie odczynników i ultrafiltrację ze zatężaniem powstałej zawiesiny. Zastosowanie membran ultrafiltracyjnych pozwala na niemal całkowite zatrzymanie substancji zawieszonych i, jak wykazały poprzednie badania, zmniejszenie całkowitej liczby drobnoustrojów w uzdatnionej wodzie o 3-4 rzędy wielkości na skutek zatrzymywania bakterii, co odpowiednio może znacznie zmniejszyć zużycie odczynnika dezynfekującego. Schemat i wygląd instalacji laboratoryjnej przedstawiono na rys. 1
Ryż. 1. Wygląd oraz schemat wyposażenia laboratorium: pojemnik na 1 stężenie; 2-pompa recyrkulacyjna; 3-ciśnieniomierz; 4,9 cyfrowy przepływomierz; moduł 5-membranowy; 6-sterownik automatyki; 7-perystaltyczna pompa z rewersem; 8-ciśnieniowy czujnik; Filtrat o pojemności 10.
Jako moduł membranowy zastosowano rosyjską firmę Fazercraft LLC (Moskwa). Było to urządzenie o cylindrycznej obudowie, wewnątrz której umieszczono wiązkę pustych włókien o porowatej ściance. Na końcach aparatu wiązkę pustych włókien przymocowano związkiem epoksydowym. Dane techniczne moduł membranowy podano w tabeli. 1.
Tabela 1. Charakterystyka techniczna modułu membranowego
Do ścieków dozowano hydroksychlorek glinu jako koagulant, którego dawka w przeliczeniu na Al2O3 wynosiła 20 mg/l. Do regulacji pH stosowano wapno w dawce 2 mg CaO na 1 litr oczyszczonej wody. Powstałą zawiesinę przepompowano w pętli zamkniętej przez obudowę modułu membranowego za pomocą wirowej pompy obiegowej, a filtrat usunięto z wewnętrznych kanałów włókien. Na linii filtratu za pomocą pompy perystaltycznej wytworzono próżnię, dzięki której przeprowadzono filtrację. Podczas eksperymentu zmieniano ciśnienie filtracji transmembranowej (TMF f) w zakresie 0,05 0,25 bar. Po dodaniu koagulantu do zbiornika 1 zawiesinę zagęszczano 20 razy w ciągu dnia, następnie koncentrat usuwano ze zbiornika 1, wlewano do niego nową porcję wody z osadnika wtórnego i powtarzano proces czyszczenia.
Pracował w trybie filtracji stycznej „na zewnątrz do wewnątrz”. Taką organizację procesu dobrano tak, aby zapewnić stabilną pracę filtra w warunkach dużej zawartości zawiesin w uzdatnianej wodzie. Cyrkulacja zawiesiny przez obudowę aparatu pozwala uniknąć tak negatywnego zjawiska jak zatykanie końcówek włókien osadem osadowym, które obserwuje się podczas filtracji „od wewnątrz na zewnątrz”. Filtrację prowadzono całodobowo w trybie cyklicznym (rys. 2) pod kontrolą sterownika automatyki. Czas filtracji (tf) wyniósł 20 min, czas przemywania (tf) filtratem 1 min, podczas doświadczenia ciśnienie przepłukiwania transmembranowego (TMpp) było o 0,05-0,1 bar wyższe od TMPf, prędkość stycznego przepływu zawiesiny w obudowie aparatu (wt) zmieniano w zakresie od 0,04 do 0,8 m/s. Podany zakres masy odpowiada zakresowi wartości kryterium Reynoldsa od 68 do 1360, dlatego przepływ płynu w obudowie modułu membranowego odbywał się w trybie laminarnym.
Ryc.2. Cykliczna praca modułu membranowego (temperatura cieczy: +20°C, wt = 0,14 m/s, TMDf = 0,2 bar, tf = 20 min, TMDp = 0,3 bar, tp = 1 min)
Zmienianie ciśnienia filtracji wykazało, że strumień filtratu J wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia transmembranowego od 0,05 do 0,2 bara (rys. 3). Dalszy wzrost wartości TMDf nie prowadzi do wzrostu J, co prawdopodobnie wynika z faktu, że wraz ze wzrostem ciśnienia transmembranowego osad na membranie ulega zagęszczeniu i wzrasta jego właściwy opór hydrauliczny.
Ryż. 3. Zależność konkretnego przepływu filtratu od ciśnienia filtracji transmembranowej (temperatura cieczy +20°C, masa = 0,47 m/s)
Zwiększanie stężenia fazy stałej w roztworze recyrkulującym miało niewielki wpływ na szybkość filtracji. Badania wykazały, że zagęszczenie oczyszczonej zawiesiny z uwolnieniem do filtratu 95% cieczy prowadzi do spadku wydajności modułu membranowego jedynie o 10% (Rysunek 4). Możliwe, że negatywny wpływ zagęszczenia zawiesiny został zrekompensowany wzrostem jej temperatury: zazwyczaj w ciągu doby (czas przerobu jednej porcji ścieków) jej temperatura wzrastała o około 10 stopni (od +15 oC do +25 oC). oC).
Ryż. 4. Zmiana przepływu filtratu w ciągu doby po rozpoczęciu przetwarzania kolejnej porcji ścieków (badania czwartej doby życia)
Zmienianie natężenia przepływu recyrkulacyjnego wykazało, że przy stałym ciśnieniu filtracji przezmembranowej (0,2 bar) natężenie przepływu filtratu maleje wraz ze zmniejszaniem się stycznego natężenia przepływu (rys. 5). Dzieje się tak na skutek wzrostu grubości warstwy osadu na membranie przy spadku natężenia przepływu przemieszczającego się równolegle do powierzchni filtra. Zmniejszenie prędkości prowadzi do zmniejszenia kosztów energii potrzebnej do cyrkulacji cieczy, ale jednocześnie zwiększa się wymagana powierzchnia membrany i koszty inwestycyjne instalacji. Jak wynika z rys. 5, zmniejszenie masy z 0,8 do 0,04 m/s (20 razy) prowadzi do jedynie dwukrotnego spadku przepływu filtratu. Sugeruje to, że optymalna prędkość przepływu stycznego mieści się w obszarze wt< 0,05 м/с.
Ryż. 5. Zależność konkretnego przepływu filtratu od stycznej prędkości przepływu (temperatura cieczy: +20°C, TMDf = 0,2 bar)
Testy żywotności przeprowadzono przez 10 dni. Praca modułu membranowego była stabilna, co widać na poniższym rysunku. 6. Przy założonych parametrach przepływ właściwy filtratu J wynosił średnio 65 l/h∙m2.
Ryż. 6. Praca modułu membranowego przy zadanych parametrach: wt = 0,6 m/s, TMDf = 0,2 bar, TMDp = 0,25 bar.
Analizę chemiczną wody oczyszczonej przeprowadzono w certyfikowanym laboratorium; dane dotyczące stężenia fosforanów w wodzie pierwotnej i oczyszczonej przedstawiono na ryc. 7, analiza chemiczna pozostałych składników - w tabeli. 2.
Ryż. 7. Stężenie fosforanów w wodzie wpływającej do końcowego oczyszczania i w filtracie
Tabela 2. Skład ścieków wyjściowych i filtratu po oczyszczeniu membranowym (badanie trzeciego dnia życia)
*przed dodaniem koagulantu
Zapewnia niemal całkowite usunięcie substancji zawieszonych w wodzie. Pomimo wysokiego stężenia koagulanta nie zaobserwowano wycieku glinu do filtratu: całe aluminium w postaci wodorotlenku i innych nierozpuszczalnych związków zostało zatrzymane przez membranę. W przeciwieństwie do aluminium, żelazo zostało usunięte jedynie w 20%. Zachowanie żelaza podczas doczyszczania ścieków różni się od jego zachowania podczas ultrafiltracji wód naturalnych (zarówno powierzchniowych, jak i podziemnych). W wodach naturalnych dominuje koloidalny wodorotlenek żelaza, który jest skutecznie zatrzymywany przez membranę PVDF. Podobno żelazo występuje w ściekach w postaci związków z kwasami organicznymi, a jego hydroliza wymaga znacznego podniesienia pH.
Wnioski:
- Badania laboratoryjne wykazały, że technologia łącząca koagulację i ultrafiltrację z wykorzystaniem membran PVDF może być stosowana do skutecznego doczyszczania ścieków po oczyszczaniu biologicznym. Zatrzymywanie zawieszonych cząstek stałych przez moduł membranowy wynosiło > 93%, a zatrzymywanie fosforanów 97%. Stężenie glinu w filtracie nie przekraczało 0,04 mg/l.
- Wyznaczono wartość optymalnego ciśnienia filtracji przezmembranowej (0,2 bar), które odpowiada maksymalnemu przepływowi filtratu.
- Wzrost natężenia przepływu recyrkulacyjnego (przepływ styczny) prowadzi do wzrostu przepływu filtratu, jednak ze względów technicznych i ekonomicznych największe zainteresowanie budzi obszar niskich wartości prędkości przepływu stycznego (poniżej 0,05 m/s) .
- Badany moduł membranowy pracował stabilnie przez dziesięć dni przy doborze 95% cieczy do filtratu, natomiast stężenie usuwanych zanieczyszczeń (zawiesiny, fosforany itp.) nie miało istotnego wpływu na jego pracę.
Bibliografia:
- Gandurina L.V., Butseva L.V., Shtondina B.C. Odczynnikowa metoda usuwania związków fosforu ze ścieków // Wodociągi i technika sanitarna. 2001. nr 6.
- Dedkov Yu.M., Konichev M.A., Kelina S.Yu. Metody doczyszczania ścieków z fosforanów // Wodociągi i technika sanitarna. 2003, nr 11.
- Zagorsky V.A., Danilovich D.A., Kozlov M.N., Moizhes O.V., Daineko F.A. Analiza przemysłowego zastosowania technologii usuwania fosforu ze ścieków komunalnych // Technologia wodno-sanitarna. 2004. Nr 5.
- Zhenga X., Plumeb S., Ernstc M., Crouea J.-P., Jekel M. Koagulacja in-line przed UF oczyszczonych ścieków bytowych – usuwanie zanieczyszczeń, kontrola zanieczyszczeń i usuwanie fosforu // Journal of Membrane Science. 2012. w. 403–404.
- Mayboroda A.B., Petrov D.V., Kichik V.A., Starikov E.N. // Membrany i technologie membranowe. – 2013.
Pomimo tego, że coraz większą wagę przywiązuje się do ochrony środowiskoŚwiatowym trendem jest pogarszanie się jakości wody w ujęciach wody. Ujęcia wody Federacji Rosyjskiej nie są wyjątkiem. Obecna wersja SanPin 2.1.4.1074-01 standaryzuje zawartość trzydziestu związków i pierwiastków nieorganicznych oraz około 680 pojedynczych związków organicznych, izomerów i mieszanin, które są klasyfikowane jako „ szkodliwe substancje w wodzie pitnej" Pomimo tak imponującej listy kontrolowanych wskaźników możemy już śmiało stwierdzić, że picie wody (a także wykorzystanie wody do produkcji substancji spożywczych), przygotowywanej wyłącznie w komunalnych oczyszczalniach ścieków, nie tylko nie poprawia zdrowia, ale także w niektórych przypadkach jest to niebezpieczne (przypomnijmy na przykład wybuch wirusowego zapalenia wątroby w Niżnym Nowogrodzie). Taki stan rzeczy wynika z faktu, że wyposażenie większości stacji uzdatniania wody przestarzały i wymagający renowacji. Co więcej, często stare technologie uzdatniania wody(jest to głównie koagulacja, chlorowanie wody) z nowymi zanieczyszczeniami sztucznymi nie jesteśmy w stanie „sami” sobie poradzić.
W przyszłości, w związku z rosnącym zagrożeniem katastrofami spowodowanymi przez człowieka, nie ma nadziei na poprawę jakości wody w ujęciach wodnych. Jednocześnie można być pewnym wprowadzenia wysoce czułych (prawdopodobnie markerowych) metod monitorowania jakości higienicznej wody i zaostrzenia norm dotyczących zawartości związków toksycznych (wszelkiego rodzaju) w wodzie. W związku z tym, kiedy projektowanie nowych stacji uzdatniania wody, która w idealnym przypadku powinna być odporna na awaryjne zanieczyszczenia ujęć wody, konieczne jest stosowanie technologii zapewniających wyjątkową stabilność jakości wody pitnej. Na obecnym etapie takie wymagania spełniają jedynie technologie membranowego uzdatniania wody(ultrafiltracja wody, nanofiltracja wody, odwrócona osmoza) w połączeniu z technologiami chemicznymi (ozonowanie i inne metody niszczenia związków organicznych w wodzie). Ze wszystkich membranowych metod uzdatniania wody do przygotowania wody pitnej najbardziej odpowiednia jest ultrafiltracja wody.
Wstęp
Ultrafiltracja wody (UF) to proces usuwania zawieszonych i zaglomerowanych cząstek koloidalnych o wielkości od 0,03 do 0,1 mikrona na membranach niskociśnieniowych. Na świecie instalacje ultrafiltracji wody są szeroko stosowane do uzdatniania wód powierzchniowych lub gruntowych, w tym do produkcji wody pitnej. Zastosowanie ultrafiltracji pozwala całkowicie rozwiązać problem usuwania z wody zawieszonych w wodzie aglomeratów koloidów i mikroorganizmów. Filtrat uzyskany z jednostek ultrafiltracyjnych ma następujące typowe cechy: wartości SDI mniejsze niż 2; zawiesiny stałe poniżej 0,5 mg/l; zawartość związków organicznych w wodzie w połączeniu z koagulacją zmniejsza się 2-3 razy; kolor nie więcej niż 10-15; Jakość filtratu jest stabilna i nie zależy od wahań jakości wody zasilającej.
Membrana ultrafiltracyjna Hydracap jest wykonana z hydrofilowych pustych włókien poliestrosulfonowych (PES). Membrana jest odporna na chlor i posiada zasoby aktywnego chloru wynoszące 200 000 ppm * godzin. W cyklu czyszczenia chemicznego membrana może pracować w szerokim zakresie pH (2-13), pozostając jednocześnie odporną na zanieczyszczenia biologiczne. Membrana wykonana jest z pustych w środku włókien o średnicy wewnętrznej 0,8 lub 1,2 mm. Standardowy moduł Hydracap 60 zawiera 13 200 pustych włókien. Stosowane są membrany z włóknami o średnicy 0,8 mm o wartościach zmętnienia do 200 mg/l. W przypadku wody bardziej mętnej zaleca się stosowanie membran z włóknami o średnicy 1,2 mm.
Parametr selektywności standardowej membrany ultrafiltracyjnej wynosi 100-150 kDa, co odpowiada wielkości porów około 0,025 µm. Zatem membrana stanowi skuteczną barierę dla większości wirusów (o 4 rzędy wielkości), bakterii (o 6 rzędów wielkości) i Kryptosporydium oocysty.
Rysunek 1 przedstawia schemat ultrafiltracyjny system uzdatniania wody, który składa się z pompy zasilającej, zbiornika ściekowego, modułu ultrafiltracji, zbiornika do płukania wstecznego, pompy płukania wstecznego oraz układu chemicznego czyszczenia i dezynfekcji.
Ryż. 1. Schemat półprzemysłowej ultrafiltracyjnej stacji uzdatniania wody.
Woda zasilająca dostarczana jest pod ciśnieniem do ultrafiltracyjny system uzdatniania wody za pomocą pompy zasilającej. Szacowana maksymalna różnica ciśnień w całym układzie wynosi około 2,5 bara, biorąc pod uwagę straty tarcia, a także spadek ciśnienia na membranie, który na skutek jej stopniowego zanieczyszczania może wzrastać i osiągać wartość 1,0 bara.
Moduł ultrafiltracji wody jest okresowo płukany wstecznie przy użyciu filtratu zebranego w zbiorniku płuczki. Podczas płukania zwrotnego zanieczyszczenia są usuwane z układu i przywracany jest początkowy spadek ciśnienia na membranie.
Ultrafiltracyjny system uzdatniania wody pracuje w trybie automatycznym i sterowany jest przez sterownik mikroprocesorowy (PLC), który koordynuje pracę wszystkich elementów systemu, kontrolując pracę pomp, zaworów i urządzeń dozujących.
Do wody zasilającej instalację ultrafiltracyjnego uzdatniania wody można dozować koagulant. Technika ta jest szczególnie skuteczna w przypadku okresowego pogarszania się jakości wody zasilającej. Działanie koagulanta powoduje powstawanie „płatków”, na których adsorbowane są związki organiczne. „Płatki” pozostają na powierzchni membrany ultrafiltracyjnej i można je łatwo usunąć podczas normalnego płukania wstecznego. Bez zastosowania koagulanta redukcja parametru całkowitej materii organicznej (TOC) w systemie ultrafiltracji kształtuje się na poziomie 25%, przy zastosowaniu koagulanta wartość ta wzrasta do 60% (wody powierzchniowe).
Nasza firma przeprowadziła badania półprzemysłowe własne stacje uzdatniania wody oparte na ultrafiltracji wody, jeden z nich pracował nad membranami Hydracap. W tym artykule opisano niektóre wyniki tej instalacji.
Wyniki badań instalacji ultrafiltracji wody
Został przetestowany podczas testów półprzemysłowych schemat działania instalacji ultrafiltracyjnej na wodzie rzeki Moskwy. Wyjaśniono główne wskaźniki pracy stacji uzdatniania wody, takie jak specyficzne usuwanie filtratu z powierzchni elementu membranowego, dawka koagulantu, poziom pH wody źródłowej oraz wody uzyskanej w wyniku ultrafiltracji.
Dawki koagulantów.
Aby zapewnić pełniejsze usunięcie materia organiczna Z wody źródłowej dozowano polioksychlorek glinu (Aurat-18) i/lub chlorek żelaza III. Zastosowanie tych koagulantów pozwala na obniżenie poziomu substancji organicznych w wodzie o co najmniej 60%.
Optymalna dawka wynosi 4 mg/l dla Al dla polioksychlorku glinu i 6 mg/l dla Fe dla chlorku żelaza III. Z wyników analiz chemicznych filtratu z jednostki ultrafiltracyjnej wynika, że stężenie resztkowego glinu było mniejsze niż 0,05 mg/l, żelaza mniejsze niż 0,1 mg/l.
Dynamikę zmian jakości wody po koagulacji w osadniku i ultrafiltracji przedstawiono na rys. 2-3.
Rysunek 2
Jak wyraźnie widać z zaprezentowanych wykresów, technologia ultrafiltracji wody z prekoagulacją ma znaczną przewagę nad klasyczna technologia rozjaśnienie. Jakość wody uzyskanej po ultrafiltracji zawiesin jest praktycznie niezależna od jakości wody źródłowej i stabilizuje się na poziomie 0,1-0,2 mg/l. Zawartość żelaza w wodzie wylotowej nie przekraczała 100 µg/l i była determinowana głównie ilością chlorku żelaza dozowanego do strumienia wody źródłowej. Skuteczność usuwania utleniającej materii organicznej (utlenianie nadmanganianem) wynosiła około 60% i była silnie uzależniona od warunków koagulacji (temperatura, pH, czas koagulacji) i rodzaju koagulantu.
Rysunek 3
Wydajność systemu uzdatniania wody dla wody – nie mniej niż 92%. Zużycie energii elektrycznej przez system uzdatniania wody na wyprodukowanie 1 m 3 wody potrzeba około 0,19 kWh.
Zalecenia dotyczące projektowania przemysłowej stacji uzdatniania wody.
Na podstawie wyników badań zaprojektowano system uzdatniania wody przemysłowej z wykorzystaniem elementów Hydracap 60 firmy Hydranautics. Układ ultrafiltracji wody o wydajności 60 m 3 /h musi składać się z co najmniej 17 elementów. Biorąc pod uwagę, że przy projektowaniu systemu uzdatniania wody Zwykle układany jest projekt blokowy instalacji, system powinien składać się z 3 bloków po 6 elementów, tj. 18 elementów. W przypadku awarii jednego z agregatów, dwa pozostałe pracują niezależnie i w trybie awaryjnym mogą zapewnić wydajność do 51,6 m 3 /h uzdatnionej wody.
W przypadku konieczności zapewnienia redundancji systemu oczyszczania wody należy zamontować 7 elementów na jednostkę. W trybie awaryjnym lub podczas prac konserwacyjnych 2 bloki po 7 elementów zapewniają następującą wydajność: 14 elementów X 4,3 m 3 /h/element = 60,2 m 3 /h (przepływ właściwy przez powierzchnię membrany ultrafiltracyjnej wyniesie 94 l /h m2 /h). Oprócz, przy projektowaniu ultrafiltracyjnej stacji uzdatniania wody Wskazane jest uwzględnienie możliwości umieszczenia w każdym bloku dodatkowego elementu rezerwowego (8). Do przyjęcia czas pracy stacji uzdatniania wody w trybie awaryjnym lub serwisowym wynosi 24 godziny. W przypadku konieczności dłuższej pracy instalacji na dwóch blokach, istnieje możliwość zastosowania na każdym bloku dwóch dodatkowych membran ultrafiltracyjnych wody. Czas montażu dodatkowych membran wynosi 5-10 minut, bez wyłączania filtracji wody.
Konieczne jest zainstalowanie pompy źródłowej dostarczającej wodę na każdym bloku oraz jednej pompy rezerwowej na trzy bloki.
A. P. Andrianov, inżynier. (MGSU); A. G. Pervov, doktor inżynierii. Nauka (Instytut Badawczy SSC RF VODGEO)
Obecnie coraz większą uwagę zwraca się na poszukiwanie nowych, obiecujących metod oczyszczania wody, które będą bardziej kompaktowe, tańsze i łatwiejsze w obsłudze niż metody tradycyjne. Należą do nich metody membranowe: ultrafiltracja i nanofiltracja.
Obydwa procesy mają podobną konstrukcję sprzętową, ale pod względem technologicznym istnieją zasadnicze różnice. Jeżeli podczas pracy instalacji nanofiltracyjnych osady powstałe podczas pracy na powierzchni membran (zanieczyszczenia zatrzymane w wodzie) zostaną usunięte za pomocą przemywania chemicznego (tj. za pomocą odczynników), to podczas pracy membran ultrafiltracyjnych usuwanie zanieczyszczeń z powierzchni membran odbywa się za pomocą prądu wstecznego, jak w filtrach z obciążeniem ziarnistym. Dlatego też ultrafiltracja bezodczynnikowa uważana jest za technologię przyszłości za granicą.
Ultrafiltracja to proces membranowy będący pośrednim pomiędzy nanofiltracją a mikrofiltracją. Membrany ultrafiltracyjne posiadają pory o wielkości od 20 do 1000 Å (czyli 0,002–0,1 µm) i pozwalają na zatrzymanie drobnych i koloidalnych zanieczyszczeń, makrocząsteczek (dolna granica masy cząsteczkowej to kilka tysięcy), glonów, mikroorganizmów jednokomórkowych, cyst, bakterii i wirusów . Zatem zastosowanie ultrafiltracji membranowej do oczyszczania wody pozwala zachować skład jej soli oraz przeprowadzić klarowanie i dezynfekcję wody bez użycia środków chemicznych, co czyni tę technologię obiecującą z punktu widzenia ochrony środowiska i ekonomii.
Technologia uzdatniania wody za pomocą membran ultrafiltracyjnych polega na „ślepej” filtracji wody przez membranę bez odprowadzania koncentratu. Ten tryb pracy pozwala na zmniejszenie zużycia wody na potrzeby własne oczyszczalni oraz zmniejszenie jej całkowitego zużycia energii. Proces filtracji trwa 20-60 minut, po czym następuje płukanie membrany. W tym celu część oczyszczonej wody wprowadza się pod ciśnieniem do ścieżki filtratu przez 20-60 sekund. Podczas procesu płukania wstecznego woda usuwa warstwę nagromadzonych zanieczyszczeń z powierzchni membrany. Na ryc. Rysunek 1 przedstawia schemat budowy i działania elementów walców ultrafiltracyjnych.
Ryż. 1. Moduł ultrafiltracji
a - tryb pracy; b - tryb prania; 1 - woda źródłowa; 2 - filtrat; 3 - element rolkowy; 4 - zrzut koncentratu; 5 - płukanie wsteczne filtratem
Podczas długotrwałej pracy wydajność urządzeń membranowych stopniowo maleje, ponieważ różne substancje są sorbowane na siatce turbulatora, na powierzchni i na ściankach porów membran, a cząsteczki zanieczyszczeń osadzają się, zwiększając ogólny opór hydrauliczny urządzenia membranowe. Aby przywrócić pierwotną wydajność, kilka razy w roku przeprowadza się chemiczne mycie urządzeń membranowych specjalnymi odczynnikami kwasowymi i zasadowymi w celu usunięcia nagromadzonych zanieczyszczeń.
Projektując systemy oczyszczania wody oparte na metodzie ultrafiltracji, głównym zadaniem stojącym przed projektantem jest prawidłowe określenie czasu trwania filtracji bezpośredniej oraz częstotliwości i intensywności płukania wstecznego. Parametry te zależą od jakości wody źródłowej i są ustalane na podstawie optymalnego stosunku wydajności jednostki ultrafiltracyjnej do całkowitego zużycia wody. Właściwy wybór Tryb płukania zapewnia sprawną pracę instalacji, polegającą na długotrwałym zachowaniu wydajności i jakości filtratu. Na przykładzie odmrażania wód gruntowych autorzy opracowali metodę poszukiwania optymalnych parametrów pracy jednostki ultrafiltracyjnej.
Skuteczność płukania wstecznego zależy od jego intensywności (przy stałym ciśnieniu płukania wstecznego można pracować z czasem trwania płukania) τ oraz odstępem pomiędzy płukaniami (czasem trwania cyklu filtrowania) t. Dla danego czasu τ wydajność instalacji zależy od czasu trwania t: im krótszy t, tym skuteczniej membrana jest oczyszczana z zanieczyszczeń, ale tym więcej powstaje wody płuczącej. Badania optymalizujące proces płukania mają na celu wyznaczenie takich wartości τ i t dla różnych składów wody uzdatnionej, które odpowiadają największej ilości wody oczyszczonej uzyskanej w czasie T. Badania przeprowadzono na modelowych roztworach żelaza (III) chlorek na membranach ultrafiltracyjnych UAM-150. Na ryc. Rysunek 2 przedstawia spadek wydajności aparatu membranowego w czasie dla różnych stężeń żelaza w wodzie źródłowej.
Aby określić optymalny czas trwania cyklu filtrowania i płukania, przeprowadzono kilka serii eksperymentów z różnymi czasami trwania płukania wstecznego. W każdej serii, przy ustalonym czasie płukania, zmieniał się czas trwania cyklu filtracyjnego. Zależności objętości filtratu i wody popłucznej od czasu pracy instalacji dla jednej serii doświadczeń przedstawiono na rys. 3 (czas płukania wstecznego 30 s).
Poszukiwanie optymalnych stosunków czasu trwania cyklu filtrowania i przemywania odbywa się zgodnie z maksymalną użyteczną produktywnością aparatu membranowego, którą można zdefiniować jako Vuseful = Vph - Vpr.. Początkowo optymalne punkty znaleziono osobno dla każdym czasie prania. Na ryc. Na rysunku 4 przedstawiono określenie optymalnego czasu trwania cyklu filtra przy czasie mycia 30 s. Następnie uzyskane krzywe zależności użytecznej objętości czystej wody od czasu trwania cyklu filtracyjnego podsumowuje się na jednym wykresie (ryc. 5), a powstałą krzywą konstruuje się z maksymalnych punktów tych krzywych, co umożliwia określić maksymalną ilość oczyszczonej wody w zależności od t i τ i odpowiednio znaleźć optymalny czas trwania mycia powrotnego. Doświadczenia z wykorzystaniem podanego algorytmu wyznaczania punktu optymalnego powtarza się dla różnych stężeń żelaza w wodzie źródłowej.
Tym samym dane uzyskane w wyniku eksperymentów mogą posłużyć jako rekomendacje przy opracowywaniu systemów usuwania żelaza opartych na ultrafiltracji membranowej.
Ryż. 3. Zależność objętości filtratu (linia ciągła) i wody płuczącej (linia przerywana) od czasu pracy instalacji przy czasie płukania 30 s
czas trwania cyklu filtra, min: 1, 1¢ - 15; 2, 2 ¢ - 30; 3, 3 ¢ - 60
Ryż. 4. Wyznaczenie optymalnego czasu trwania cyklu filtracyjnego przy czasie płukania wstecznego wynoszącym 30 s
1 - Vf; 2 - Przydatne; 3 - Vpr
Oprócz powyższych parametrów na efektywność pracy urządzeń membranowych wpływa wartość ciśnienia: ciśnienie robocze i ciśnienie płukania zwrotnego. Przy określaniu optymalnego punktu należy wziąć pod uwagę nie tylko użyteczną wydajność, ale także objętość wody początkowej i odprowadzanej do kanalizacji, przy obliczaniu optymalnych stosunków czasu trwania mycia i cyklu filtra na podstawie rachunku ekonomicznego.
Ryż. 5. Określenie optymalnego czasu płukania dla różnych czasów trwania cyklu filtrowania, s: 1 - 15; 2 - 30; 3 - 45; 4 - 60; linia przerywana - optymalna
W wyniku badań opracowano schematy technologiczne i projekty instalacji przeznaczonych do oczyszczania wód podziemnych o dużej zawartości żelaza. W zależności od składu wody źródłowej wybiera się jedną lub inną modyfikację instalacji, różniącą się urządzeniem napowietrzającym i marką zastosowanych membran. Wraz z usuwaniem żelaza rośliny dezynfekują wodę bez użycia odczynników, usuwają siarkowodór i klarują wodę w przypadku wyniesienia ze studni cząstek gliny.
Metodę odmrażania wody metodą ultrafiltracji zaleca się stosować przy następujących wskaźnikach jakości wody źródłowej: żelazo całkowite – nie więcej niż 40 mg/l; zasadowość – nie więcej niż (1+Fe2+/28) mg-eq/l; pH – co najmniej 6 (wartość pH wody po napowietrzeniu powinna wynosić co najmniej 6,7-7); zawartość H2S – nie więcej niż 5 mg/l; utlenianie nadmanganianu – nie więcej niż 6-10 mg/l.
Przy zawartości żelaza do 5 mg/l i siarkowodoru do 2 mg/l stosuje się schemat z uproszczonym napowietrzaniem i filtracją na membranach UAM-500 i UAM-1000. Gdy zawartość żelaza wynosi do 20-40 mg/l, a siarkowodoru powyżej 2 mg/l, stosuje się napowietrzanie poprzez wyrzut lub barbotowanie oraz dodatkowe uproszczone napowietrzanie. Gdy woda źródłowa zawiera trudno ulegające utlenieniu żelazo, niskie wartości pH i brak rozpuszczonego dwutlenku węgla, stopień napowietrzenia wzrasta. W zależności od czasu trwania procesu utleniania żelaza i szacowanej wydajności instalacji odmrażania przypisuje się objętość struktur napowietrzających.
Jeżeli w wodzie źródłowej znajdują się grube zanieczyszczenia i piasek, na początku ścieżki technologicznej znajduje się samoczyszczący filtr siatkowy o wielkości komórek 100-200 mikronów. Wygląd i podstawowy schemat technologiczny instalacji pokazano na rys. 6 i 7. W zależności od zawartości żelaza i zmętnienia wody źródłowej zużycie wody na potrzeby własne stacji nie przekracza 3-5%, jednostkowy pobór mocy wynosi 1,5-2 kW∙h/m3.
Ryż. 7. Schemat technologiczny odmrażania wód gruntowych metodą ultrafiltracji (jeżeli zawartość żelaza w wodzie źródłowej nie przekracza 5 mg/l)