Установки ультрафильтрации воды

Ультрафильтрация: системы очистки воды.

Анонс: Система ультрафильтрации в научных исследованиях и практических разработках. Ультрафильтрация воды. Очистка воды ультрафильтрацией от микроорганизмов, бактерий, вирусов.

Ультрафильтрация, как метод баромембрального разделения жидкой смеси с целью получения очищенного по ряду компонентов фильтрата (или пермеата) или концентрированного раствора (ретентата) был разработан и нашел практическое применение первым из всех базовых мембранных процессов, вызываемых градиентом давления (метод ультрафильтрации используют с 1907 года, микрофильтрации – с 1918, обратного осмоса - с 1929 (промышленного обратного осмоса с 1962), нанофильтрации – с конца прошлого века). Вместе с тем, даже на текущий момент впечатляюще огромное число накопленных научных изысканий, практических исследований в основном направлено на решение конкретных задач в сегментах адаптации конкретных типов ультрафильтрационных мембран к разделению смесей определенного состава или поддержания производительности установки ультрафильтрации в конкретном технологическом/производственно-технологическом процессе, а по оптимальным материалам для мембран, способам формирования пор в мембранах, конструктивным особенностям мембран и технологическим особенностям процесса ультрафильтрации, а также некоторым ключевым факторам, определяющим селективность, проницаемость и срок эксплуатации мембран систем ультрафильтрации единого мнения defacto нет.

Так, до сих пор нет единого мнения о:

• динамике приоритета той или иной составляющей общего сопротивления массопереносу через мембрану в долговременном процессе ультрафильтрации, в том числе с чередующимися циклами фильтрации и очистки мембраны, что в основном связано с различным фазово-дисперсионным и химическим составом разделяемых смесей, скоростью и плотностью/вязкостью исходного потока, жидкости в примембранной зоне, в капиллярах-порах, разной степенью кристалличности мембран, их лиофильностью по раствору и отделяемым компонентам и т.д.;

Рис. Разные составляющие сопротивления массопереносу (R) через мембрану при баромембранном процессе, где: Rp – перекрывание пор; Ra – адсорбция; Rm – мембрана; Rg – гелевый слой; Rcp – слой повышенной концентрации растворенных веществ.

• значении слоя связанной воды в порах ультрафильтрационной мембраны, как для повышения селективности, так и снижения интенсивности загрязнения за счет абсорбции фильтруемых компонентов, причем нередко процесс ультрафильтрации рассматривается, как механическое «просеивание» через перегородку с ячейками 0,01 – 0,1 мкм без учета электролитической диссоциации, что по факту является nonsense для баромембрального разделения смесей ультрафильтрацией, нанофильтрацией и обратным осмосом;
• влиянии размеров пор, лиофильности материала мембраны к растворителю и разделяемым компонентам, состава, молекулярной структуры и степени диссоциации высокомолекулярных соединений на обратимое и необратимое загрязнение, микробиологическое заражение и даже деструкцию мембраны.

Ультрафильтрация воды.   

Сегодня водопроводно-канализационными хозяйствами, тепловыми сетями, промышленными структурами, предприятиями пищевой промышленности, медицинскими учреждениями и т.д., а также частными хозяйствами, в том числе в системах водоснабжения и водоотведения частных домов и квартир используется ультрафильтрация воды – питьевой, оборотной, технологической, а также хозяйственно-бытовых и промышленных стоков, как на очистных сооружениях общесплавных систем канализации, так и индивидуальных и локальных очистных сооружениях (ЛОС).

Справка: В формализованной Постановлением Правительства Российской Федерации от 12.02.99 N 167 «Об утверждении Правил пользования системами коммунального водоснабжения и канализации в Российской Федерации» терминологии «локальные очистные сооружения» (или ЛОС) определены, как сооружения и/или устройства для очистки сточных вод абонента (или субабонента) водопроводно-коммунального хозяйства перед их сбросом (приемом) в систему коммунальной или дождевой канализации по нормам, установленным Постановлением Правительства РФ N 644 «Об утверждении Правил холодного водоснабжения и водоотведения и о внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации» от 29.07.2013. Т.е. очистные сооружения производств со сбросом предочищенных стоков на сооружения подземной фильтрации (или на рельеф, в водоем), а также очистные сооружения индивидуальных хозяйств входят соответственно в производственные канализационные системы полного цикла и «автономные системы канализации» (согласно МДС 40-2.2000 «Пособие по проектированию автономных инженерных систем одноквартирных и блокированных жилых домов (водоснабжение, канализация, теплоснабжение и вентиляция, газоснабжение, электроснабжение)»).

Система ультрафильтрации воды может быть спроектирована и использована для:

·         подготовки питьевой воды при водозаборе из водоемов, подземных источников с полным (или почти полным) удалением тонкодисперсных и коллоидных примесей, гуминовых веществ, природных органических веществ, микроорганизмов, бактерий, вирусов, а также приведения водозаборных вод в соответствие с нормируемыми в РФ показателями качества воды: мутностью, обусловленной присутствием тонкодисперсных взвешенных частиц (в основном гуминовых веществ), запаху (оценивается по шестибальной шкале согласно ГОСТ 3351-74), вкусу и привкусу (оценивается по пятибальной шкале ГОСТ 3351-74), цветности, минерализации, водородному показателю, электропроводимости и удельной электропроводности, жесткости. Причем установка ультрафильтрации воды может довести фазово-дисперсный и химический состав воды до некоторых отечественных и зарубежных норм автономно и практически по всем показателям – в системе каскадного типа вместе с установкой/установками обратного осмоса;

Таблица. Рекомендуемые WorldHealthOrganization (WHO) нормы физико-химических и бактериологических показателей качества питьевой воды.

Важно: Поскольку ультрафильтрация воды имеет определенные ограничения по мутности (коллоидным загрязнениям гуминовыми веществами) <500 NTU, по фитопланктону < 5000 ед/мл, по содержанию растворенных и определяющих цветность природных органических веществ, некоторых специфических микрозагрязнений (пестицидов, детергентов и пр.), которые могут быть частично или полностью нивелированы адаптацией мембран из конкретного материала с конкретной селективностью, гидрофильностью, проницаемостью под определенный состав заборной воды, то очистка воды ультрафильтрацией должна бескомпромиссно проектироваться профильной организацией с выдачей индивидуальных инструкций по проведению процесса.

·         подготовки воды из водоемов, подземных источников, технологических процессов для хозяйственно бытовых и/или производственных нужд с удалением мелкодисперсных и коллоидных примесей, микроорганизмов, грибов, водорослей и некоторых высокомолекулярных веществ, а также очистки воды от гуминовых веществ, как альтернатива коагуляции и флокуляции с отстаиванием или механическим фильтрованием, причем затрачиваемые на ультрафильтрацию цены практически всегда существенно ниже стоимости традиционных осадительных методик;

·         превентивной подготовки воды перед обессоливанием в любых процессах, в том числе процессе обратного осмоса;

·         очистки дождевых и иных поверхностных вод, как перед их сбросом в системы канализации, так и используемых для производственно-технологических процессов или бытовых нужд промышленных объектов;

·         очистки производственных стоков в системах рециркуляции, а также в качестве заключительного этапа ЛОС перед сбросом стоков в канализационную сеть водопроводно-канализационного хозяйства;

·         очистки и повторного использования промывных вод песчаных фильтров, очистки стоков в мембранных биореакторах, оптимизации состояния активного ила аэротенков и т.д. и т.п.  

Важно: Для эффективной ультрафильтрации воды, поддержания селективности, снижения интенсивности загрязнения и бактериологического загрязнения, а также увеличения срока службы мембран необходимо проектировать установку ультрафильтрации воды с гидрофильными или гидрофилизированными мембранами, обеспечивая их не только механическую, но и химическую очистку согласно рекомендациям производителя.

Таблица. Характеристики наиболее часто применяемых мембран в установках ультрафильтрации воды.

Очистка воды ультрафильтрацией от микроорганизмов, бактерий, вирусов.

Нередко производителями мембран и/или установок ультрафильтрации воды заявляется степень очистки от микроорганизмов до 99,0 % бактерий и вирусов до 99.99%, однако в целом это декларативно и не может быть достоверным фактом, во всяком случае для эксплуатируемых мембран очистки воды ультрафильтрацией, поскольку:

- любая мембрана для очистки воды ультрафильтрацией defacto пористая и изначально (до начала эксплуатации) при заявленном производителем среднем размере пор или отсекаемой (задерживаемой) молекулярной массе соединений имеет определенное соотношение неселективных и селективных пор, которое может изменяться, как в пользу задерживающей способности с образованием слоя связанной воды в порах-капиллярах, блокированием (мостичным перекрыванием) части селективных пор и физико-химической абсорбцией фильтруемых компонентов, так и в сторону увеличения проницаемости при снижении селективности из-за уменьшения слоя связанной воды при «оттягивании» ионами в зоне концентрационной поляризации гидратированной воды и физической эрозии (полировке) реальной поверхности пор продавливаемыми через них компонентами. Причем гетеропорозность характерна для всех без исключения мембран, определяется производителем по своей методике с результатами, отличными от испытаний по другой методике, а динамика изменения гетеропорозности мембраны в процессе эксплуатации зависит от множества факторов.

Рис. (слева направо) схематическое изображения пор мембраны, микрофотографии (электронный сканирующий микроскоп) полимерных мембран из ацетатцеллюлозы, полиэтерсульфона, высокопористого поликарбоната (трековая мембрана).

Рис. Кривые распределения числа пор и диаметра пор в мембранах а и б, полученные по гидродинамическому методу (кривая 1) и в результате электронной микроскопии (кривая 2).

Но тогда при среднем размере цист Giardia и/или Cryptosporidium в 5-15 мкм, Bacillussubtilis — 0,75 мкм, спирохетов – 0.7 мкм, Escherichiacoli – 0,3-1 мкм, бактерий Salmonella, Shigella, Legionella – 0,3-1,5 мкм, ycoplasmamycoides - 0,1—0,25 мкм, вирусов – 0,01–0,3 мкм и порах мембран очистки воды ультрафильтрацией из целлюлозы/ацетата целлюлозы 0,15-0,22 мкм, полиэстерсульфона (PES), полиамида (PA), полисульфонамида (PSA), полистирена (PS), полиакрилонитрила (PAN), поливинилиденфторида (PVDF) 0,16 – 0,2 мкм, полиэтилена (PE), полипропилена (PP) 0,1 – 0,2 мкм, ясно, что даже через селективные крупные поры пройдут некоторые вирусы и бактерии, а через неселективные поры – тем более;

- в процессе эксплуатации мембрана очистки воды ультрафильтрацией подвергается загрязнению органическими веществами вплоть до биологического обрастания с появлением и развитием колоний микроорганизмов, питательной средой для которых являются природные органические вещества в очищаемой воде, причем токсичные продукты жизнедеятельности этих микроорганизмов могут попадать в пермеат путем продавливания через неселективные (и крупные селективные) поры и/или диффузией через аморфную составляющую кристаллической решетки полимера.

Осложняется правильный выбор установки ультрафильтрации для решения конкретной задачи активной интеграцией маркетинга с научно-техническим прогрессов в области мембраностроения и оптимизации баромембранных процессов, а практическое отсутствие нормативно-правовых актов, формализующих технологию ультрафильтрации, мембранные материалы, конструкции, методики тестирования и предельно допустимые границы отсечения компонентов для мембран разного типа различной лиофильности к растворителю с разным номинальным размером селективных пор и регламентированным отклонением диаметров пор от номинального значения.

Поэтому следует признать очевидным факт, что сегодня и в ближайшем будущем любая система ультрафильтрации по конструкции, технологическому циклу, материалу и характеристическим свойствам мембранных элементов может и должна проектироваться под конкретный производственно-технологический процесс.