СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ И МЕМБРАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF WATER TREATMENT AND MEMBRANE UNIT TO THIS END

Изобретение относится к области мембранного разделения растворов и суспензий, в частности к средствам очистки природных вод с целью использования их в хозяйственно-питьевом водоснабжении, для предварительной подготовки воды перед дальнейшей более глубокой ее очисткой, например перед опреснением, для очистки промышленных стоков, для разделения, очистки и концентрирования растворов или суспензий органических или минеральных веществ, и может быть использовано в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения, в том числе и полевого, а также в пищевой, химической, медицинской, биологической и др. промышленностях.
Известна мембранная установка для очистки воды, включающая насос для подачи исходной воды, четырехходовой кран, батарею разделительных аппаратов на основе половолоконных или трубчатых микро- или ультрафильтрационных мембран, циркуляционный насос и циркуляционный контур, по которому циркулирует смесь исходной воды и концентрата по объему, превышающему в несколько раз количество получаемого фильтрата, для увеличения фильтроцикла за счет снижения концентрационной поляризации. Недостаток установки - конструкция не исключает загрязнения пор мембран, так как в моменты пуска и остановки скорость потока над мембраной снижается до нуля, а вместе с ней и инерция частиц загрязнений, и в эти моменты они попадают в поры, закупоривая их. Кроме этого, мельчайшие частицы загрязнений, имеющие малые условные размеры (красящие пигменты, вещества, обуславливающие цветность воды и т.д.) вследствие малой массы, а следовательно, имеющие и малую силу инерции, забивают поры мембраны даже при самых высоких технически возможных скоростях потока над мембраной. Промывка каналов волокон потоком фильтруемой воды удаляет лишь часть загрязнений, осевших на мембране, а проникшие в ее поры в основном остаются. Это приводит к уменьшению производительности установки и ресурса работы мембранных аппаратов. Кроме того, установка потребляет много энергии из-за необходимости перекачивания большого количества смеси исходной воды и концентрата (см. патент РФ №2006490).
Известен способ очистки воды, включающий стадию фильтрования в мембранных аппаратах и стадию регенерации мембран от загрязнений, заключающийся в одноразовом сбрасывании давления в аппарате и промывке мембран обратным током фильтрата за счет образовавшегося перепада давлений под мембраной и над мембраной. Недостатком этого способа является то, что обратный ток фильтрата через мембрану при незначительном перепаде давлений "под мембраной" и "над мембраной" из-за малого времени его действия малоэффективен. Практически фильтрат проходит по наиболее крупным порам, вымывая из них частицы загрязняющих веществ, а также частично взрыхляя осевшие загрязнения на мембране. Через мелкие поры, имеющие большие гидравлическое сопротивление и сцепление с частичками загрязняющих веществ, фильтрат практически не идет. Кроме того, небольшая скорость потока фильтрата вдоль мембраны не позволяет полностью сорвать и вынести из аппарата взрыхленные загрязнения (см. Дытнерский Ю.П. Барометрические процессы. Теория и расчет. Химия, 1986 г., с.70).
Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по максимальному количеству сходных признаков, принятым за прототип, является способ очистки воды и мембранная установка для его осуществления. Способ включает стадию фильтрования воды и стадию регенерации разделительных аппаратов. На стадии фильтрования в батарею разделительных аппаратов подают исходную воду без примеси концентрата, отвод концентрата осуществляют через диафрагму в количестве не более 6% от произведенного фильтрата, при этом закрывают запорный клапан на линии отвода концентрата и открывают запорный клапан на линии отвода фильтрата. На стадии регенерации включают промывочный насос на непрерывный режим работы для осуществления обратной фильтрации через мембраны, закрывают запорный клапан на линии отвода фильтрата, запорный клапан на линии отвода концентрата попеременно открывают и закрывают, насос подачи исходной воды включают на полный расход после открытия запорного клапана на линии отвода концентрата и выключают одновременно с его закрытием (см. патент РФ №2112747).
Описанный способ также имеет недостатки. На стадии фильтрования он предусматривает некоторый отвод концентрата, что ведет к усложнению конструкции, увеличивает расход исходной воды и энергозатраты. На стадии регенерации наряду с фильтратом используют исходную воду, попеременно открывая и закрывая запорные клапаны на технологических линиях, что создает определенные сложности в обслуживании, в том числе, в автоматизации процесса. Кроме того, обратная фильтрация фильтрата через поры мембраны не столь эффективна, несмотря на искусственное повышение давления фильтрата в корпусе аппарата и его сброс в канал волокна, так как канал заполнен водой, создающей противодавление потоку фильтрата через поры мембраны. Вследствие этого мала выталкивающая сила, действующая на частицы загрязнений, осевших в порах мембраны, что обеспечивает очистку лишь крупных по размеру пор, слабо осуществляется взрыхление поверхности пленки осадка на мембране, что не позволяет его полностью удалить последующим потоком исходной воды.
В основу изобретения положена задача создать конструкцию мембранной установки на основе половолоконных разделительных аппаратов (далее аппараты) и способ их регенерации, позволяющие сократить выход промывных вод, снизить металлоемкость оборудования и энергозатраты, упростить схему автоматизации, повысить ресурс работы и удельную производительность аппаратов за счет более эффективной их регенерации.
Для решения поставленной задачи предлагается мембранная установка для очистки воды, содержащая насос подачи исходной воды, батарею разделительных аппаратов на основе половолоконных ультрафильтрационных мембран, линию подвода исходной воды к нижним штуцерам аппаратов, линию отвода фильтрата из корпусов аппаратов с запорным клапаном, накопительную емкость фильтрата, промывочный насос, соединенный всасывающим патрубком с накопительной емкостью фильтрата, а напорным патрубком, имеющим обратный клапан, с линией отвода фильтрата из аппаратов, кроме того, она оснащена компрессорной установкой, соединенной линией подвода сжатого воздуха к верхним штуцерам аппаратов с запорным клапаном и трехходовым краном, соединенным входом с насосом исходной воды, одним выходом - с линией подвода исходной воды к нижним штуцерам аппаратов, другим выходом - с линией отвода промывных вод, и имеющей компенсатор для сжатого воздуха, вытесняемого исходной водой из каналов волокон при возобновлении стадии фильтрации.
Решение поставленной задачи достигается также тем, что способ очистки воды включает стадию ее фильтрования в батарее разделительных аппаратов путем подвода исходной воды к их нижним штуцерам и отвода фильтрата в накопительную емкость и стадию регенерации аппаратов посредством обратной фильтрации фильтрата из накопительной емкости через мембраны полых волокон, при этом стадию фильтрования осуществляют без отвода концентрата, а на стадии регенерации отключают насос подачи исходной воды, соединяют нижние штуцера аппаратов через линию подвода к ним исходной воды с линией отвода промывных вод путем переключения трехходового крана, закрывают запорный клапан на линии отвода фильтрата, включают промывочный насос и подают наработанный фильтрат из накопительной емкости в корпуса аппаратов для его обратной фильтрации через мембраны аппаратов, включают компрессор, открывают запорный клапан на линии подвода сжатого воздуха к верхним штуцерам аппаратов, которым вытесняют исходную воду, а затем и фильтрат после его обратной фильтрации из каналов полых волокон, после этого отключают компрессор и закрывают запорный клапан на линии подвода сжатого воздуха, отключают промывочный насос и открывают запорный клапан на линии отвода фильтрата, закрывают выход промывных вод из нижних штуцеров аппаратов и открывают вход в них исходной воды путем переключения трехходового крана, включают насос подачи исходной воды.
Преимущества заявляемого технического решения:
- увеличивается удельная производительность и ресурс работы аппаратов за счет более полного вымывания загрязняющих веществ из пор мембран на стадии их регенерации, что дает возможность сократить количество аппаратов без уменьшения производительности установки;
- упрощается конструкция установки, т.к. концентрат в режиме фильтрования не отводится;
- уменьшается объем промывных вод, поскольку исходная вода не используется на стадии регенерации аппаратов;
- уменьшаются удельные энергозатраты за счет увеличения времени между регенерациями аппаратов, их продолжительностью и отсутствием подачи исходной воды в аппараты при их регенерации;
- уменьшается материалоемкость трубопроводной сети и размеры запорно-регулирующей арматуры за счет уменьшения потока промывных вод;
- упрощается схема автоматизации установки за счет управления всей запорной арматурой одним сигналом.
На чертеже представлена предлагаемая мембранная установка для очистки воды.
Установка состоит из насоса подачи исходной воды 1, трехходового крана 2, линии подвода исходной воды к нижним штуцерам аппаратов 3, линии отвода промывных вод 4, батареи разделительных аппаратов на основе половолоконных ультрафильтрационных мембран 5 с нижними штуцерами 6 и верхними 7, линии отвода фильтрата из корпусов аппаратов 8 с запорным клапаном 9, накопительной емкости фильтрата 10, промывочного насоса 11 с обратным клапаном 12 на напорном штуцере, компрессорной установки 13, линии подвода сжатого воздуха к верхним штуцерам аппаратов 14 с запорным клапаном 15 и компенсатора 16.
Способ очистки воды состоит из стадии ее фильтрования в разделительных аппаратах и стадии их регенерации.
На стадии фильтрования исходная вода подается насосом 1 через трехходовой кран 2 по линии подвода исходной воды 3 к нижним штуцерам 6 аппаратов 5, соединенных внутри их непосредственно с каналами полых волокон, стенки которых представляют собой ультрафильтрационные мембраны. Скопившийся в верху аппаратов воздух вытесняется в компенсатор 16, т.к. давление в каналах волокон повышается.
Фильтрование осуществляется методом тупиковой фильтрации, т.е. без отвода концентрата. Фильтрат собирается в корпусах аппаратов 5 и через их боковые штуцера отводится по линии отвода фильтрата 8 через запорный клапан 9 в накопительную емкость фильтрата 10.
На стадии регенерации аппаратов выключают насос 1 подачи исходной воды, переключают трехходовой кран 2, отсоединяя нижние штуцера 6 аппаратов 5 от насоса 1 исходной воды и соединяя их через линию подвода исходной воды 3 с линией отвода промывных вод 4, закрывают запорный клапан 9 на линии отвода фильтрата 8, включают промывочный насос 11, подавая фильтрат из накопительной емкости 10 через обратный клапан 12 в корпуса аппаратов, осуществляя тем самым обратную фильтрацию через мембраны полых волокон из корпусов аппаратов в каналы волокон, включают компрессорную установку 13 и открывают запорный клапан 15. Давлением сжатого воздуха, подаваемого к верхним штуцерам 7 аппаратов 5, вытесняют исходную воду, а затем и фильтрат после его обратной фильтрации, из каналов волокон в линию подвода исходной воды 3, а далее через трехходовой кран 2 в линию отвода промывных вод 4.
Давление сжатого воздуха регулируют клапаном 15 и устанавливают на уровне, не препятствующем обратной фильтрации через мембраны. При этом по каналам движется порциями попеременно вода, воздух, вода, воздух, и т.д. За счет того, что сопротивление такого потока по каналам волокон меньше, чем сплошного потока воды, скорость его выше, что ускоряет удаление загрязнений из пор мембраны и с внутренних стенок канала. Кроме того, скорость движения потока "вода воздух, вода воздух…" носит пульсирующий характер, что вызывает мини-гидроудары в каналах волокон и порах мембраны, способствующие интенсификации процесса регенерации аппаратов. Также имеет положительное значение и направление движения по каналу водо-воздушной смеси - сверху вниз, то есть гидростатическое давление ее столба способствует увеличению скорости потока и снижает затраты энергии на его преодоление.
Пример. В соответствии с изобретением был изготовлен экспериментальный стенд, в котором использовались те же аппараты, что и в серийных установках. Испытания стенда проводились на испытательном полигоне по специально разработанной программе. Всего наработано 300 часов. Результаты серийных установок определялись экспериментально по результатам их работы у потребителя. Результаты испытаний приведены в таблице.
Оцениваемые показатели
Един. измерения
Серийная установка
Экспериментальный образец установки
Примечание
1. Средняя производительность одного аппарата с учетом времени на регенерацию за 6 часов работы при очистке воды мутностью 20 мг/л
м<sup>3</sup>/ч
0,9
1.2
2. Максимальная потребляемая мощность на фильтрование воды и регенерацию аппаратов
кВт/ч
0,11
0,1
3. Продолжительность одной стадии регенерации аппаратов
мин
3
1-1,3
4. Суммарная продолжительность регенерации аппаратов за 6 часов работы при средней мутности исходной воды 20 мг/л
мин
12,0
4,0
5. Общий расход воды на регенерацию за 6 часов работы
л
360
15
6. Общее потребление исходной воды за 6 часов работы
м<sup>3</sup>
1,56
1,215
7. Количество управляемых электромагнитных клапанов в системе регенерации аппаратов
шт.
5
3
8. Средняя вымываемая грязеемкость одного аппарата
г
4-9
9-13
9. Расчетный ресурс работы аппаратов до замены
час
12000-16000
более 16000
Как видно из таблицы, в сравнении с известным способом, суммарная продолжительность регенерации аппаратов снизилась в 3 раза, средняя вымываемая грязеемкость одного аппарата увеличилась в 1,5 раза, общий расход воды на регенерацию уменьшился в 24 раза.