Эффективным способом очистки воды является ее продавливание через полупроницаемые мембраны. Процессы фильтрации классифицируются по размерам разделяемых частиц:
- микрофильтрация через мембраны с размерами пор от 0,05 до 10 мкм;
- ультрафильтрация - поры от 0,001 мкм до 0,05 мкм;
- обратный осмос и нанофильтрация - поры 1 нм и ниже.
Ультрафильтрация воды предназначена для удаления из нее микроорганизмов и макроскопических включений, не проходящих через поры мембраны.
Традиционный механизм действия фильтров с засыпкой основан на гравитационной очистке. Ультрафильтрация производится подобно просеиванию через пористое сито, где все частицы большего диаметра отделяются.
Типы мембран
Фильтрующие элементы представляют собой плоские листы или волокна с капиллярами. Через первые производится преимущественно ультрафильтрация сточных вод, а последние предназначены для водоподготовки.
Волокна в основном выполняются одноканальными, с внутренним диаметром около 0,8 мм. Они подвергаются частым нагрузкам и могут разрушиться при обратной промывке. Многоканальные волокна содержат несколько капилляров и обладают значительно большей прочностью.
Мембраны изготавливаются из полимеров, например, из полиэстерсульфона. Его параметры могут изменяться за счет добавления других синтетических материалов. Широкий диапазон рН обрабатываемых жидкостей дает возможность эффективно очищать фильтрующие элементы.
Полимерные мембраны должны периодически обеззараживаться, поскольку микробы любят поедать органику и образовывать на ней колонии.
Долго служит керамическая мембрана, которая хорошо отмывается моющими средствами. Цена ее выше, но срок эксплуатации достигает 10 лет.
Способы фильтрации
Система ультрафильтрации воды состоит из модулей, заполненных полыми пористыми волокнами. Исходная жидкость поступает в капилляры, после чего происходит фильтрация через боковые стенки. Возможна также подача в обратном направлении.
Промывка производится фильтратом с его подачей встречным потоком. Равномерное распределение жидкости снаружи волокон обеспечивает удаление отложений из капилляров. Здесь важно правильно подобрать режим промывки, чтобы легче удалялся загрязняющий слой.
Фильтры работают в двух режимах, один из которых напорный: вода подается в кожух устройства под давлением. Погружной способ производится с помощью мембран, опущенных в открытую емкость. С выходной стороны создается вакуум, и жидкость всасывается через фильтрующий материал.
Модули располагаются вертикально. Вода в них поступает с одного конца, а отводится - с другого. Количество модулей в одном фильтре обычно не превышает двух единиц. За счет этого требуется меньше прокладок, что уменьшает вероятность протечек. Вертикальные модули удобно обслуживать и тестировать. Их легко устанавливать и извлекать.
Режимы фильтрования
Когда производится ультрафильтрация воды, фильтры могут работать в тупиковом и тангенциальном режимах. В первом случае производится очистка всей подаваемой воды. Отложения с мембраны периодически удаляются в процессе промывки или с дренажным потоком. Мембрана быстро загрязняется, и перепад давления на ней должен поддерживаться небольшим, что снижает производительность аппарата. Способ применяется для водоподготовки, при небольшой концентрации взвесей.
При тангенциальном режиме фильтруемая среда циркулирует вдоль поверхности мембраны и отложений на ней образуется немного. Турбулентность потока в канале подачи позволяет очищать воду с высокой концентрацией взвесей. Недостатками способа являются рост энергозатрат на создание большой скорости потока и необходимость установки дополнительных трубопроводов.
Параметры ультрафильтрации
Основными параметрами ультрафильтрации являются:
- Селективность - соотношение концентраций примесей в загрязненной воде (Свх.) и в фильтрате (Свых.): R = (1 - Свых./ Свх.) ∙ 100 %. Для процесса ультрафильтрации она велика, что позволяет задерживать мельчайшие частицы, в том числе бактерии и вирусы.
- Расход фильтрата - количество очищенной воды в единицу времени.
- Удельный расход фильтрата - количество продукта, проходящего через 1 м2 площади мембраны. Зависит от характеристик фильтрующего элемента и чистоты исходной воды.
- Перепад давления на мембране - разность между давлением со стороны питания и со стороны фильтрата.
- Проницаемость - отношение между удельным расходом фильтрата и перепадом давления на мембране.
- Гидравлический КПД - отношение между расходами фильтрата и подаваемой исходной воды.
Ультрафильтрация для дезинфекции воды
Традиционные методы удаления микроорганизмов включают технологии с применением реагентов. Ультрафильтрация воды заключается в физическом отделении от нее микроорганизмов и коллоидов за счет малого размера пор мембраны. Достоинством способа является удаление трупов микроорганизмов, водорослей, органических веществ и механических частиц. При этом нет необходимости в специальной подготовке воды, которая в других случаях обязательна. Требуется только предварительно пропустить ее через 30-микронный фильтр механической очистки.
При покупке фильтров требуется определить размеры пор мембран. Чтобы полностью удалить вирусы, диаметры отверстий должны быть на уровне 0,005 мкм. При больших размерах пор функция обеззараживания выполняться не будет.
Кроме того, технология ультрафильтрации предусматривает осветление воды. Все взвеси полностью удаляются.
Установка ультрафильтрации воды содержит параллельно подключенные аппараты, что обеспечивает необходимую производительность процесса и возможность их замены в процессе работы.
Очистка воды перед ионообменными фильтрами
Смола эффективна при задержке коллоидных частиц размером 0,1-1,0 мкм, но они быстро закупоривают гранулы. Промывка и регенерация здесь мало помогают. Особенно тяжело удалить частицы SiO2, которых особенно много в скважинах и речной воде. После закупоривания смола начинает обрастать микроорганизмами в местах, не промываемых моющими растворами.
Иониты также активно забиваются эмульгированными маслами, которые невозможно удалить. Закупоривание происходит настолько сильно, что проще заменить фильтр, чем отделить от него масло.
Фильтрующие гранулы смол активно забиваются высокомолекулярными соединениями. Их хорошо удаляет активированный уголь, но он имеет малый срок службы.
Ионообменные смолы эффективны вместе с ультрафильтрацией, удаляющей более 95 % коллоидов.
Очистка воды - ультрафильтрация перед обратным осмосом
Эксплуатационные расходы снижаются при ступенчатой установке фильтров с последовательным уменьшением размеров задерживаемых частиц. Если перед ультрафильтрационным модулем устанавливается более грубая очистка, то он повышает эффективность систем обратного осмоса. Последние чувствительны к анионным и неионогенным флокулянтам, если на предварительной ступени производится коагуляция загрязнений.
Крупномолекулярная органика быстро забивает поры обратноосмотических мембран. Они быстро обрастают микроорганизмами. Предварительная ультрафильтрация воды решает все проблемы и экономически целесообразна при использовании с обратным осмосом.
Обработка стоков
Очистка сточных вод ультрафильтрацией дает возможность повторно их использовать в промышленности. Для применения в технике они подходят, а техногенная нагрузка на открытые водоемы питьевого назначения снижается.
Мембранные технологии применяются для очистки стоков гальванического и текстильного производства, в пищевой промышленности, системах обезжелезивания, при удалении из растворов карбамида, электролитов, соединений тяжелых металлов, нефтепродуктов и др. При этом повышается эффективность очистки и упрощается технология.
При низкой молекулярной массе примесей ультрафильтрацией можно получать концентраты чистых продуктов.
Особенно важна проблема отделения от воды эмульгированных масел. Преимуществом мембранной технологии является простота способа, низкие энергозатраты и отсутствие потребности в химикатах.
Обработка вод поверхностных источников
Осаждение и фильтрование ранее были эффективными способами очистки воды. Примеси природного происхождения здесь удаляются эффективно, но сейчас появились техногенные загрязняющие вещества, для удаления которых требуются другие способы очистки. Особенно много проблем создает первичное хлорирование воды, образующее хлорорганические соединения. Применение дополнительных стадий очистки активированным углем и озонированием повышает себестоимость воды.
Ультрафильтрация позволяет получать питьевую воду прямо из поверхностных источников: из нее удаляются водоросли, микроорганизмы, взвешенные частицы и др. соединения. Способ эффективен с предварительной коагуляцией. При этом не требуется длительное отстаивание, поскольку не обязательным является формирование крупных хлопьев.
Установка ультрафильтрации воды (фото ниже) позволяет достигать устойчиво хорошего качества очищенной воды без применения сложного оборудования и реагентов.
Применение методов коагуляции становятся неэффективным, поскольку многие органические соединения в воде не определяются традиционным методом окисления перманганатом калия. Кроме того, содержание органики колеблется в широких пределах, из-за чего сложно подобрать необходимую концентрацию реагентов.
Заключение
Ультрафильтрация воды через мембраны позволяет добиться ее необходимой чистоты при минимальном расходе реагентов. Сточные воды после обработки можно использовать для промышленных целей.
Ультрафильтрация не всегда эффективна. Способ не позволяет удалять некоторые вещества, например, хлорорганические соединения и некоторые гуминовые кислоты. В таких случаях применяется многоступенчатая очистка.
