Применение метода «ультрафильтрация» для получения питьевой воды из природных вод.

Материалы международной конференции «Техновод», 2006г.

«ЗАО НПК Медиана-Фильтр» к.х.н Смирнов В.Б

В наши дни охране окружающей среды придаётся всё большее значение, но, несмотря на это, ухудшение качества воды в водозаборных зонах является проблемой фактически во всём мире. Водозаборы России, к сожалению, не являются исключением. Согласно нормам действующего СанПина допускается содержание в воде тридцати неорганических веществ и элементов и около 680 органических соединений, изомеров и смесей, которые относятся к разряду «вредных веществ питьевой воды». И хотя список данных, подлежащих контролю, довольно велик, можно без малейших сомнений утверждать, что употребление воды, прошедшей только через городские очистные сооружения, в пищу, а также её использование в приготовлении пищевых продуктов зачастую является опасным для здоровья человека. Это связано с тем, что системы большинства объектов водоподготовки безнадёжно устарели и остро нуждаются в реконструкции. Зачастую старые технологии подготовки воды - такие, как коагуляция и хлорирование воды - не могут самостоятельно справляться с современными техногенными загрязнителями.

В связи с тем, что опасность техногенных катастроф в будущем, к сожалению, только увеличивается, на улучшение качества природной воды надеяться нельзя. Скорее можно рассчитывать на внедрение высокочувствительных методик контроля гигиенического состояния воды и серьёзное ужесточение норм содержания вредных соединений в воде. Новым станциям водоподготовки, которые по идее должны быть готовы к аварийным загрязнениям вод, следует использовать новые технологии, гарантирующие предельно высокую стабильность показателей качества питьевой воды. На сегодняшний день подобные требования способны выполнить только мембранные технологии водоподготовки (ультра- и нанофильтрация воды, процесс обратного осмоса) в комбинации с технологиями химического воздействия, такими, как озонирование и другие способы разрушения органических веществ, содержащихся в воде. Из всего большого списка мембранных способов подготовки воды питьевого качества ультрафильтрация воды является наиболее подходящей методикой.

По сути, ультрафильтрация воды (УФ) представляет собой процесс удаления взвешенных коллоидных частиц и агломератов размером от 0.03 до 0.1 мкм, посредством применения мембран низкого давления. Установки для ультрафильтрации воды широко используются во всём мире с целью обработки грунтовых и поверхностных вод, в частности, и для приготовления воды питьевого качества. Метод ультрафильтрации даёт возможность полноценного решения проблемы удаления из воды микроорганизмов и взвесей коллоидных агломератов. Получаемый на такой установке фильтрат обладает следующими типичными параметрами: SDI - менее 2; взвешенные соединения - менее 0,5 мг/л; кол-во органических соединений в сочетании с коагуляцией уменьшено в 2-3 раза; цветность - до 10-15 0; фильтрат стабильный, и на его качество не влияют флуктуации качества питающей воды.

Мембрана для ультрафильтрации «Hydracap» выполнена из полых волокон гидрофильного полиэстерсульфона (сокращённо PES). Такая мембрана сохраняет устойчивость к воздействию хлора, и её ресурс по воздействию активного фтора - 200 000 ppm *часов. В процессе химической мойки мембрана способна функционировать в диапазоне рН от 2 до 13, сохраняя при этом устойчивость к биологическим воздействиям. Внутренний диаметр полых волокон, из которых состоит мембрана, составляет 0,8 или 1,2 мм. Наиболее часто используемый стандартный модуль Hydracap 60 содержит 13200 полых волокон. Волокна с диаметром 0,8 мм используются в мембранах при уровне мутности до 200 мг/л. При очистке более мутной воды лучше использовать мембраны с волокнами, диаметр которых 1,2 мм.

Уровень селективности обычной мембраны для ультрафильтрации составляет 100-150 кДа, при размере пор около 0,025 мкм. Это означает, что мембрана представляет собой эффективный барьер для вирусов (на 4 порядка), бактерий (на 6 порядков), а также Cryptosporidium oocysts.

На рис.1 представлена диаграмма ультрафильтрационной системы водоподготовки, которая состоит из питающего насоса, грязевика, ультрафильтрационного модуля, бака обратной промывки, насоса обратной промывки и системы химической очистки и дезинфекции.

Рис. 1. Схема полупромышленной ультрафильтрационной установки водоподготовки.

Стандартная система ультрафильтрации включает питающий насос, грязевик, модуль ультрафильтрации, бак и насос обратной промывки, а также систему химической очистки и дезинфекции воды.

Процесс проходит следующим образом. Питающая вода под давлением поступает в систему при помощи питающего насоса. Максимум дифференциального давления по всей системе составляет приблизительно 2,5 бар, учитывая потери при трении и уменьшение давления на мембране. Величина падения давления может расти в связи с постепенным загрязнением и достигать величины в 1,0 бар.

Время от времени производится обратная промывка модуля ультрафильтрации с использованием фильтрата, собранного в бак для обратной промывки. При обратной промывке из модуля удаляются все загрязнения, и начальный уровень падения давления на мембране восстанавливается.

Система водоподготовки обычно работает в режиме автоматики, управляемая микропроцессорным контроллером (PLC), координирующим функционирование всех компонентов системы, включая насосы, вентили и дозирующие устройства. /p>

Дозы коагулянтов .

Возможно также дозированное добавление коагулянта в воду, которая питает систему ультрафильтрации. Этот метод особенно эффективен, если качество питающей воды имеет свойство периодически ухудшаться. Воздействие коагулянта ведёт к формированию «хлопьев», адсорбирующих органические соединения. Эти хлопья эффективно задерживает поверхность мембраны, и при обратной промывке они легко удаляются. Без применения коагулянтов процент уменьшения параметра полной органики (ТОС) при ультрафильтрации составляет около 25%, в то время как при использовании коагулянта это значение увеличивается до 60% (данные для поверхностных вод).

Динамика изменения качества воды после коагуляции в осветлителе и ультрафильтрации иллюстрирована на рис 2-3.

Рисунок 2

Как показывает практика, методика ультрафильтрации воды с предварительной коагуляцией обладает заметными преимуществами перед классической технологией очистки. Качество воды, очищенной посредством ультрафильтрации по взвешенным веществам, почти не зависит от состояния исходной воды, и его параметры стабилизируются на 0.1- 0.2мг/л. КПД стандартной системы ультрафильтрации достаточно высок (более 90%), а расход электроэнергии относительно невелик.

Рисунок 3

КПД системы водоподготовки по воде – не менее 92%. Расход электроэнергии системы водоподготовки на выработку 1м³ воды составляет около 0,19 кВт*ч.

Замечания по проектированию установки промышленной водоподготовки.

Согласно результатам многочисленных тестов, промышленная система водоочистки чаще всего проектируется на базе элемента Hydracap 60 (от компании «Hydranautics»). При требуемой производительности 60м³ /ч устройство ультрафильтрации воды должно включать не менее 17 элементов. При условии, что в проектировании системы водоочистки стандартно учитывается конструкция из блоков, система должна содержать 18 элементов, то есть 3 блока по 6. Если один из блоков выходит из строя, два оставшихся работают независимо от этого, и обеспечивают производительность до 51,6м³/ч воды, с учётом аварийной ситуации.

В случае, если необходимо резервирование системы водоочистки, лучше установить по 7 элементов на каждый блок. При проведении профилактических работ или в аварийной ситуации 2 блока по 7 обеспечат производительность по схеме: 14 элементов Х 4,3м³/ч/элемент = 60,2м³ /ч. При этом удельный поток вдоль поверхности мембраны составит 94 л/м²/ч.
При проектировании установки ультрафильтрации имеет смысл учесть возможность использования дополнительного (8-го) элемента в каждом блоке в качестве резерва. Предельно допустимое время работы установки в аварийном режиме или в процессе сервисного обслуживания - 24 часа. Если это необходимо, возможна и более длительная эксплуатация системы при работе двух блоков с привлечением двух добавочных мембран для каждого блока. Дополнительные мембраны подключаются в течение 5-10 минут, при этом процесс фильтрации не прерывается.

На каждый из блоков следует установить насос для подачи исходной воды, а также один дополнительный насос на три блока.