Баромембранные методы очистки питьевой воды
Опубликовано: 26 июня 2019 г.
1141
Баромембранные методы фильтрации, принципиально заключающиеся в продавливании жидкостей против градиента концентрации через полупроницаемую мембрану, успешно сегодня применяются в разных промышленных отраслях (химической, пищевой и фармацевтической), в малой энергетике (при подготовке котловой воды), при очистке отводящихся сточных вод, а также и для очистки питьевой воды при водоснабжении.
Возможности очистки воды от примесей (микрочастиц, микроорганизмов, коллоидов) и растворенных в ней веществ с помощью баромембранной фильтрации определяются размерами пор мембраны и применяемым давлением. Чем меньше размеры пор мембран, тем выше требуется давление, для осуществления данного процесса. Соответственно от размера пор и давления зависит и размер проникающих через мембрану частиц, на этом же основана и классификация методов баромембранной фильтрации. По указанному принципу выделяют: микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и обратный осмос (табл. 1).
Таблица 1. Основные параметры и характеристики баромембранных методов фильтрации.
|
Название метода |
Размер пор мембраны, мкм |
Размер задерживающихся мембраной частиц (молекул), Д |
Рабочее давление, бар |
Удаляемые вещества, частицы, микроорганизмы и др.. |
|---|---|---|---|---|
|
Микрофильтрация |
0,01- 1 |
> 100 000 |
< 2 |
Очень мелкие взвешенные частицы, крупные коллоиды, эмульсии, цисты простейших, большие бактерии, водоросли. |
|
Ультрафильтрация |
0,001 – 0,01 |
2 000 – 100 000 |
1,5 – 7 |
Все взвешенные частицы, коллоиды, цисты простейших, бактерии, водоросли, вирусы. |
|
Нанофильтрация |
0,0001 – 0,001 |
300 - 1000 |
3,5 – 20 |
Все взвешенные частицы, все микроорганизмы, органические растворенные вещества, 20 - 85% растворенных неорганических веществ. |
|
Обратный осмос |
< 0,0001 |
100 - 300 |
15 – 70 |
Все взвешенные частицы, все микроорганизмы, все растворенные органические вещества, 95-99 % растворенных неорганических веществ. |
Ультрафильтрация
На стадии преподготовки воды, предназначенной для использования, как питьевая может применяться ультрафильтрация. Также, как и при микрофильтрации процесс прохождения примесей через мембрану для этого метода осуществляется по принципу просеивания и наиболее схож с задерживанием частиц на фильтрах механической очистки. Мембраны микро- и ультрафильтрации наименее требовательны к составу входной воды из применяющихся при баромембранной фильтрации. Эти мембраны допускают обработку хлорированной воды, высокое содержание взвешенных частиц и работают в широком диапазоне рН (от 1 до 13).
Рис. 1 Механизм ультрафильтрации
Методом ультрафильтрации из воды удаляются взвешенные и коллоидные частицы размером от 0,03 мкм, и выше, а также большинство микроорганизмов. Если в исходной воде содержание взвешенных частиц – до 1 000 мг/л, то преподготовка на установке ультрафильтрации позволяет удалить их до 100 %. Снизить окисляемость до 97 %, цветность – до 96 %, удалить железо до 97 %.
Для повышения эффективности удаления коллоидов, в том числе содержащих железо, процесс ультрафильтрации осуществляется после добавки в исходную воду коагулянта – обычно полиоксихлорида алюминия. При коагуляции происходит укрупнение присутствующих в воде примесей, что облегчает их удаление на последующих стадиях. Для улучшения работы ультрафильтрационной установки (увеличение удельной производительности фильтрования) желательно поддерживать температуру исходной воды на уровне 20-25 °С.
Установка ультрафильтрации состоит из: блока предварительной очистки, фильтрующих мембранных модулей, системы дозирования коагулянта, системы промывки установки. Блок предварительной очистки включает в себя насос и механический фильтр, задерживающий частицы размером более 200 мкм в целях предотвращения загрязнения мембран грубой взвесью. Блок дозирования коагулянта состоит из дозирующих насосов и емкости приготовления коагулянта. Блока промывки установки ультрафильтрации состоит из насосов промывки, фильтров грубой очистки с отсечкой 200 мкм для предотвращения попадания крупных включений из емкости, дозирующих насосов серной кислоты, дозирующих насосов и емкости дозирования биоцида.
Рис. 2 Установка ультрафильтрации
Исходная вода сначала закачивается насосом исходной воды в баки, а уж оттуда поступает на установку ультрафильтрации. Это делается для того, чтобы обеспечить запас исходной воды и необходимые гидравлические параметры работы установки. Из баков исходная вода забирается насосами для очистки. Перед насосами исходной воды в очищаемую воду насосом-дозатором подается коагулянт с расходом, пропорциональным расходу исходной воды. После обработки коагулянтом вода подается на фильтр предварительной очистки, а затем и на фильтрующие модули ультрафильтрации.
Промывка фильтрующих модулей включает стадии обратной промывки и химической промывки. Обратная промывка проводится 3 – 5 раз в час для удаления взвешенных веществ, накопленных за время фильтрации, обратным током осветлённой воды. Химическая –1 – 3 раза в день и позволяет провести очистку ультрафильтрационных мембран от органических (щелочная промывка) и неорганических (кислотная промывка) загрязнений.
К важным преимуществам метода ультрафильтрации относится возможность легко наращивать производительность установки, благодаря модульной конструкции оборудования, а также возможность полной автоматизации процесса. Так как фильтрация осуществляется при относительно низком давлении, соответственно и энергозатраты тоже не очень высокие – 0,1 - 0,2кВтч/м3.
Нанофильтрация и обратный осмос
Довольно широкое применение в бытовых целях доочистки водопроводной воды получил метод обратного осмоса. Обратноосмотические мембраны задерживают микроэлементы диаметром 0,0001–0,001 мкм, полностью очищая воду от всех органических и почти всех растворенных неорганических веществ. Современные обратноосмотические мембраны – композитные – состоят из нескольких слоев. Общая толщина 10–150 мкм, причем толщина собственно селективного слоя, который определяет селективность мембраны - не более 1 мкм. В состав конструкции входит турбулизирующая сетка между мембранами.
Перед обратноосмотическими мембранами качество и параметры исходной воды должны соответствовать определенным требованиям по мутности, перманганатной окисляемости, содержанию нефтепродуктов, железа, минерализации и некоторым другим.
Рис. 3 Бытовая установка фильтрации с обратноосмотическим фильтром
Для бытовых мембранных фильтров, где, как правило, в качестве исходной используется водопроводная вода, предочистка перед мембранами упрощается, но, в любом случае необходимы патронные фильтры с пористостью 5 мкм.
Бытовые системы обратного осмоса имеют небольшие размеры и помещаются под кухонной мойкой. Для их работы требуется давление 2,5- бар. Основными блоками бытовой системы обратного осмоса являются: префильтры, защищающие мембрану от растворенных частиц, хлора, органических веществ; сам мембранный элемент рулонного типа, накопительный бак для хранения очищенной воды и постфильтр.
Срок службы мембранного элемента бытовых систем обратного осмоса при правильной эксплуатации и своевременной замене фильтров предварительной очистки - 2 - 3 года.
Однако постоянное применения для питья и приготовления пищи воды, прошедшей обработку в обратноосмотическом аппарате, может неблагоприятно сказаться на здоровье. При обратном осмосе из воды почти полностью извлекаются соли, в том числе и содержащие необходимые человеку элементы такие, как ионы калия и магния.
Рис. 4 Бытовая установка фильтрации с обратноосмотическим фильтром смонтированная под раковиной
Компенсировать эту особенность обратноосмотического процесса можно применением (растворением в воде) специальных минеральных добавок. В России и за рубежом такие добавки производятся в виде растворов и таблеток.
Нанофильтрация по степени очистки воды занимает промежуточное положение между обратным осмосом и ультрафильтрацией. При нанофильтрации, задерживаются частицы размером 0,002-0,001 мкм.
Рис. 5 Бытовая установка фильтрации с аппаратом нанофильтрации
Достоинством нанофильтрации как способа водоподготовки является, в отличие от обратного осмоса, полное сохранение в жидкой среде солей и микроэлементов, необходимых для организма человека. Немаловажным достоинством нанофильтрации является экономическая целесообразность. По сравнению с обратным осмосом процесс нанофильтрации протекает при меньшем давлении и, следовательно, потребляет меньше энергии.
Рис. 6 Промышленная установка нанофильтрации
Производительность нанофильтрационных установок настолько высока, что они могут использоваться как в промышленности, так и на муниципальных водоочистных предприятиях для очистки воды до степени питьевой, а также, например, и в автономной системе водоснабжения коттеджа.
Меры безопасности
При баромембранной обработке водопроводной воды органами санитарного и экологического надзора допускается слив концентрата в канализацию, так как исходная вода имеет тот же качественный состав, что и концентрат. Предочистка перед мембранами в таком случае ограничивается применением патронных фильтров с пористостью 5 мкм.
Если же исходная вода содержит болезнетворные микроорганизмы или токсические вещества, требуется применения дополнительных мер по обеззараживанию и элиминации. Стандартные конструкции фильтров и материалы мембран не предотвращают вторичное бактериальное заражение воды, то есть бактерии могут развиваться на самой мембране. Следовательно, в таком случае, особенно для получения питьевой воды, необходимо перед мембранным фильтром и после него предусматривать обеззараживание воды, например, ультрафиолетовым излучением.
Статья из журнала "АКВА -ТЕРМ" № 3/2019
