Современное состояние вопроса очистки поверхностных вод с помощью ультрафильтрации

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ

THE STATE-OF-THE-ART OF ULTRAFILTRATION TECHNOLOGY USING FOR SURFACE WATER TREATMENT

А.Г. Первое, А.П. Андрианов

A.G. Pervov, A.P. Andrianov

МГСУ

В статье рассматриваются современные мембранные технологии очистки поверхностных вод, особое внимание уделяется анализу достоинств и недостатков ультрафильтрационной технологии. Предлагаются пути повышения эффективности работы ультрафильтрационных установок.

The article presents state-of-the-art membrane techniques applied for surface water treatment, especially the advantages and disadvantages of ultrafiltration technology. The main ways to improve and modify ultrafiltration systems are proposed.

Введение

Потребность во внедрении передовых технологий, отвечающих современным мировым стандартам, введение новых нормативов качества питьевой воды, применение более совершенного оборудования постепенно выводят на российский рынок новый метод очистки воды - ультрафильтрацию. Эта технология рассматривается как замена традиционного фильтрования на скорых фильтрах и обработки воды в отстойниках и осветлителях.

Новизна этого метода для российской практики, большое разнообразие и сложность аппаратурного оформления, отсутствие единых методик расчета ставит перед проектировщиками сложную задачу правильного выбора, применения и эксплуатации мембранных систем в различных условиях. Ситуация усугубляется тем, что основными производителями и поставщиками ультрафильтрационных установок являются несколько крупных зарубежных компаний, которые продвигают эту технологию на российский рынок без раскрытия ее технологических «секретов». Кроме того, при работе уже существующих установок нередко возникают проблемы, вызванные как недостатками и ограничениями самой технологии, так и просчетами при проектировании и недостаточным опытом эксплуатации подобных систем. Все это в определенной мере сдерживает широкое внедрение мембранных технологий и вызывает предубеждение у ряда специалистов.

К числу недостатков или трудностей, встречающихся при применении ультрафильтрации для обработки поверхностных вод, можно отнести:

- малую эффективность в снижении цветности и окисляемости;

- снижение производительности мембран вследствие образования осадка и закупоривания пор;

- высокий расход промывной воды (до 10 % и более);

- достаточно высокие капитальные и эксплуатационные затраты.

В настоящей статье приведены результаты научного анализа процесса мембранной ультрафильтрации применительно к обработке поверхностных вод и сделана попытка наметить пути его совершенствования.

Современная технология ультрафильтрации

В настоящее время при очистке поверхностных вод ультрафильтрацией наиболее широко используют два режима фильтрования:

- схема с «тупиковой» фильтрацией («dead-end»), когда вся вода, поступающая в аппарат, профильтровывается через мембрану;

- схема с транзитным потоком («cross-flow»), при которой основной объем обрабатываемой воды циркулирует через мембранные аппараты с целью поддержания высоких скоростей потока воды над поверхностью мембраны.

В обеих схемах образующиеся на мембранах осадки коллоидных и взвешенных веществ удаляются с помощью промывок обратным током профильтрованной воды.

Тупиковый режим является энергетически выгодным (в сравнении с циркуляционным режимом), что способствует его широкому использованию в крупных ультрафильтрационных установках. Однако тупиковый режим имеет ряд серьезных недостатков, которые создают проблемы при работе водоочистных станций:

- значительное падение производительности в течение фильтроцикла, связанное с ростом слоя осадка и его сопротивления;

- необходимость в частых промывках мембран и, как следствие, большой расход воды на собственные нужды;

- «закупоривание» пор мембраны мелкими частицами, вызывающее значительное падение производительности мембран и нередко необратимое;

- несколько меньшая эффективность в снижении цветности и окисляемости по сравнению с транзитным режимом.

Испытания, проведенные авторами, показали, что при обработке поверхностных вод на мембранах марки УАМ-150, имеющих наиболее распространенный размер пор, в течение 20 - 40 минут фильтроцикла производительность мембран падает примерно в 1,5 - 2 раза (рис. 1). Поэтому средняя производительность мембран при работе в таком режиме оказывается на 30 - 50 % ниже их производительности по чистой воде.

к 1 1

❖ УАМ-50  УАМ-150 А У AM - 1000

ч, ^le

a---

J L

L у .

......

Время /, мин Время Г, мин

Рис. 1. Зависимость изменения производительности ультрафильтрационных мембран в течение фильтроцикла от концентрации взвешенных веществ в исходной воде (а) и размера пор мембран (б). Примерные размеры пор: УАМ-50 - 0,005 мкм, УАМ-150 - 0,015 мкм, УАМ-1000 - 0,1 мкм

Другой проблемой является эффект закупоривания пор мембраны мелкими частицами - процесс сложно контролируемый и трудно прогнозируемый. К таким частицам относятся мелкие глинистые частицы, коллоиды гидроокиси алюминия, крупные органические молекулы (например, полисахариды природного происхождения) и их комплексы. Попытки бороться с этим явлением с помощью обратных промывок ведут к перерасходу воды на собственные нужды.

Протекание стадии фильтрования с закупориванием пор зависит от соотношения между размером пор мембраны и распределением частиц в исходной воде по размерам, а также от концентрации взвешенных и коллоидных частиц в исходной воде (рис. 2). В координатах t/V от t (t - продолжительность фильтрования, V - объем фильтрата, полученный за время t) этот процесс описывается прямой линией [2]. При уменьшении концентрации частиц в исходной воде и при увеличении размера пор мембраны процесс закупорки пор становится более заметным. В ряде случаев на очищенной воде (например, при использовании метода ультрафильтрации после традиционных отстойно-фильтровальных сооружений) закупорка пор мембран может вызвать большее снижение их производительности нежели образование на поверхности мембран рыхлого слоя осадка.

Существует еще одна опасность: некоторые высокомолекулярные природные соединения, которые остаются в воде после традиционных сооружений, задерживаются на ультрафильтрационных мембранах и вместе с промывной водой попадают обратно в начало технологической схемы. Таким образом, их концентрация в воде, проходящей через очистные сооружения, увеличивается со временем, а поскольку размер молекул этих соединений сопоставим с размером пор мембран, то процесс закупоривания пор также развивается со временем, вызывая постепенное снижение производительности мембранной установки.

и 10 II) 311 44 Ш ю 1} > « ( з ю щ

Л/-сим: »>:> !1ргим/.

Рис. 2. Характер изменения продолжительности стадии закупоривания пор в зависимости от концентрации взвешенных веществ в исходной воде

Одним из методов борьбы с загрязнением мембран является дозирование в исходную воду коагулянтов и флокулянтов, так называемая «прямоточная» коагуляция, - введение коагулянтов в исходную воду и последующая фильтрация без стадии хлопьеобразования [7]. Этот прием применяется не только для повышения эффекта очистки воды от органических примесей, но и для связывания частиц малого размера, наиболее «опасных» для закупорки пор мембран [5, 8]. Однако, как показывает опыт эксплуатации установок ультрафильтрации, предварительная коагуляция не всегда позволяет избежать неуклонного снижения производительности мембран. Причинами может быть малое время нахождения воды в аппаратах, а также образование дополнительного количества взвешенных веществ в воде и осадка на мембранах за счет введения коагулянта.

Как подтверждают специалисты ведущих фирм-производителей мембран, при очистке поверхностных вод, расход очищенной воды на проведение обратных промывок, составляет до 10 - 12 % от общего расхода фильтрата. Это очень большая величина (для сравнения: расход воды на собственные нужды фильтровальных станций обычно составляет не более 5 %), увеличивающая требуемую площадь фильтрующей поверхности мембран и, соответственно, капитальные и эксплуатационные затраты. Даже в случае введения оборота промывных вод, капитальные затраты на мембраны остаются на том же уровне, происходит только снижение потребления исходной воды.

Очевидной эффективной мерой снижения интенсивности осадкообразования на поверхности мембран является поддержание высокой скорости транзитного потока над мембраной, вызывающей «отрыв» частиц от поверхности мембран. Режим рециркуляции позволяет избежать загрязнения мембран, включая закупорку пор, или значительно замедлить этот процесс. Следовательно, сокращается частота обратных промывок и объем промывной воды.

Принятый «тупиковый» режим фильтрования малоэффективен и с точки зрения снижения цветности воды. При высоких скоростях транзитного потока снижается уровень концентрационной поляризации и возрастает селективность мембран по ряду растворенных органических веществ, образующих цветность (рис. 3).

ЮОт-=-1

20 «Да (репа 1)  20 «Да |окрп1

(река 3, ии^кул } 050 *Да (реде 2. тупик. > Ш50*ра|раи

Цветность Мутность Железо общее Окисляемость

Показатели качества воды

Рис. 3. Средняя задерживающая способность различных ультрафильтрационных мембран при обработке вод поверхностных источников

Рекомендации по совершенствованию ультрафильтрационной технологии очистки природных вод

Оценивая недостатки существующей технологии ультрафильтрации с «тупиковым» режимом фильтрования, можно сделать вывод, что главными из них являются опасность закупорки пор и отсутствие транзитного потока. Причем, последнее - это скорее «рекламный» ход для представления «тупиковой» фильтрации как технологии с наименьшими энергетическими затратами. В действительности, анализ работы мембран фирмы «Degremont» (на Юго-Западной водопроводной станции Москвы) и мембран фирм «Norit» и «Inge» на российских энергетических объектах показал, что установки работают и «тупиковом» режиме, и в режиме рециркуляции, в зависимости от качества поступающей на установки воды и текущей проницаемости мембран.

Наиболее простое решение по минимизации отрицательного эффекта закупоривания пор - применение мембран с меньшим размером пор. В частности, авторами в числе прочих испытывались мембраны с молекулярным отсечением 20 - 30 кДа, показавшие очень незначительную подверженность закупориванию пор в характерный период начала фильтроцикла [1]. Большинство же ультрафильтрационных мембран, применяемых для обработки природных вод, имеют размер пор 0,01-0,02 мкм, что соответствует молекулярному отсечению на уровне 150 - 300 кДа. При снижении размера пор падает удельная производительность мембран и, соответственно, производительность «коммерческих» мембранных аппаратов, что при существующей их высокой стоимости, по-видимому, сделает установки экономически невыгодными.

При использовании мембран с малым молекулярным отсечением и меньшей удельной производительностью повышается качество очищенной воды и снижается влияние осадкообразования при работе в режиме с транзитным потоком, в том числе понижается уровень концентрационной поляризации. С точки зрения теории фильтрования, увеличение сопротивления мембраны уменьшает влияние осадка на снижение производительности. В случае применения ультрафильтрационных мембран с малым размером пор, а также нанофильтрационных мембран, оказывается возможным добиться эффекта «отрыва» частиц и снижения опасности загрязнения.

Совершенствование технологий мембранной очистки поверхностных вод может идти по пути выбора оптимальных режимов работы и удешевления мембранных аппаратов. Стоимость последних имеет большое значение при выборе технологии очистки природных вод. Как известно, рулонные элементы позволяют обеспечить по сравнению с аппаратами на основе капиллярных мембран более высокую рабочую площадь мембран и производительность аппаратов при одинаковых их объемах. Сравнение аппаратов по стоимости и энергопотреблению при их эксплуатации показано на рис. 4. а) б)

1 р г

/ .г

4

Я)

Стросп щи/мттожтня сч'с

№

Рис. 4. Сравнение ценовых и эксплуатационных характеристик существующих ультрафильтрационных мембранных аппаратов: а) удельная стоимость 1 м3/час; б) удельное энергопотребление кВт/(м3/час) в зависимости от скорости транзитного потока; 1 - стандартный рулон; 2 - аппарат с капиллярными мембранами ё = 0,7 мм; 3 - аппарат с капиллярными мембранами ё = 1,0

мм; 4 - рулон с «открытым» каналом

Основным недостатком существующих конструкций аппаратов типа «рулон» является устройство мембранного канала, содержащего сетку - сепаратор-турбулизатор. Сетка является одной из причин накопления осадка и резкого прироста сопротивления канала в процессе работы аппарата. Исключение сетки из канала, создание аппаратов с «открытым» каналом, без препятствий потоку (аналогично капиллярному каналу), позволит добиться таких же эксплуатационных характеристик рулонных элементов, как

ВЕСТНИК 4/2010

у аппаратов с трубчатыми и капиллярными мембранами, и свести процесс осадкообразования к минимуму. Результаты проведенных авторами исследований по созданию и испытанию аппарата с новой конструкцией мембранного канала и разработке на его основе технологий, позволяющих минимизировать процесс загрязнения мембран и эксплуатационные затраты, приведены в последних работах [3, 4].

Подводя итоги проведенного краткого анализа, можно сделать вывод, что существующая технология ультрафильтрации не является совершенной, и ее заданные параметры вызваны в основном «коммерческими» соображениями, что ведет к ущербу ее эффективности. Очевидно, что технология «тупиковой» фильтрации является результатом выбора производителями мембранных систем минимальных затрат. Переход к режиму рециркуляции ведет к увеличению эксплуатационных затрат и себестоимости очищенной воды. Однако проведенные нами исследования показывают, что, проводя выбор режима эксплуатации ультрафильтрационных установок на основе оптимизации эксплуатационных затрат, учитывающей затраты на электроэнергию, химические промывки, чистую воду на собственные нужды, а также стоимость мембранных аппаратов, можно добиться приемлемых показателей и для режима с транзитным потоком (рис. 5).

О / j J 4 5 д 7 S 9 /0 9 Ш. / fJ

Ощюсп, трмжжт патц ст/с Cmpocrt трыаятогоиогоа.

Рис. 5. Оптимизация эксплуатационных затрат в зависимости от скорости транзитного потока при циркуляционном режиме для установок с ультрафильтрационными (а) и нанофильтрацион-ными (б) мембранами: 1 - эксплуатационные затраты; 2 - затраты на электроэнергию; 3 - затраты воды на собственные нужды; 4 - затраты на химические промывки

Наиболее эффективным и радикальным решением совершенствования ультрафильтрационных систем очистки поверхностной воды является отказ от ультрафильтрационных мембран в пользу нанофильтрационных. Как уже говорилось выше, значительное уменьшение размера пор и удельных потоков через мембрану существенно снижает влияние процессов закупоривания пор и осадкообразования на эксплуатационные характеристики установки. Кроме того, вследствие меньшего уровня концентрационной поляризации, работа в режиме рециркуляции требует существенно меньших значений транзитных скоростей, чем при ультрафильтрации. Наконец, нано-фильтрационные мембраны обеспечивают высокую эффективность очистки воды по растворенным органическим веществам и загрязнениям в ионной форме (кальция, железа, стронция, аммония, силикатов и др.).

Опыт применения нанофильтрационных мембран трубчатого и капиллярного типа фирмами «PCI» (Великобритания) и «Norit» (Нидерланды) при очистке поверхностных вод подтверждает высказанное положение [6]. Однако стоимость таких аппаратов и затра-

ты на эксплуатацию (электроэнергию и химические промывки) значительно превышают аналогичные затраты на технологию ультрафильтрации. Сделать технологию очистки природных вод методом нанофильтрации более экономичной можно путем применения мембранных аппаратов рулонного типа, обладающей лучшими гидравлическими характеристиками и низкой удельной стоимостью (на 1 м3 обрабатываемой воды).

Выводы

1. Снижение производительности ультрафильтрационных мембран идет в соответствии с механизмом образования осадка и линейного прироста сопротивления. Большое влияние на эффективность работы современных ультрафильтрационных установок оказывает процесс закупоривания пор мембран.

2. Выбранный режим «тупиковой» фильтрации с частыми промывками обратным током требует высоких эксплуатационных затрат, связанных с потерей мембранами производительности и большими объемами промывной воды.

3. Для повышения эффективности работы установок ультрафильтрации при очистке природных вод рекомендуется:

- использовать мембраны с меньшим размером пор;

- применять циркуляционный режим работы с оптимальным подбором скоростей транзитного потока;

- вести работы по снижению стоимости мембранных аппаратов и разработке новых «энергосберегающих» конструкций, стойких к осадкообразованию.

5. Для очистки поверхностных вод очень перспективным является использование мембранных аппаратов с «открытым» каналом.

Литература

1. Андрианов А.П., Первов А.Г. Оптимизация процесса обработки воды методом ультрафильтрации. // Водоснабжение и сан. техника. 2003. №6, стр. 7-9.

2. Жужиков В.А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий. М. Химия, 1980.

3. Первов А.Г., Андрианов А.П., Юрчевский Е.Б. Совершенствование конструкций мембранных аппаратов // Водоснабжение и сан. техника. 2009. №7, стр. 62-68.

4. Юрчевский Е.Б., Первов А.Г., Андрианов А.П., Пичугина М.А. Исследование технологических характеристик мембранных элементов с открытыми напорными каналами // Теплоэнергетика, 2009, №11, с. 46-52.

5. Aoustin E., Schäfer A.I., Fane A.G., Waite T.D. Ultrafiltration of natural organic matter. // Separation and Purification Technology. 2001. V. 22-23, p. 63-78.

6. Brüggen B., Hawrijk I., Cornelissen E., Vandecasteele C. Direct nanofiltration of surface water using capillary membranes: comparison with flat sheet membranes. // Separation and Purification Technology. 2003. V. 31. Issue 2, p. 193-201.

7. Guigui C., Rouch J.C., Durand-Bourlier L., Bonnelye V., Aptel P. Impact of coagulation conditions on the in-line coagulation/UF process for drinking water production. // Desalination. 2002. V. 147, p. 95-100.

8. Yuan W., Kocic A., Zydney A.L. Analysis of humid acid fouling during microfiltration using a pore blockage-cake filtration model. // J. Membrane Science. 2002. V. 198, p. 51-62.

Ключевые слова: загрязнение мембран; закупоривание пор мембран; мембрана; нанофильтрация; очистка воды; поверхностная вода; природная вода; промывка мембран; тангенциальный режим фильтрования; тупиковый режим фильтрования; ультрафильтрация

Keywords: cross-flow filtration; dead-end filtration; membrane fleshing; membrane fouling; membrane; nanofiltration; natural water; pore plugging; surface water; ultrafiltration; water treatment

Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ»