Для лучшего понимания особенностей ультрафильтрационных установок нужно детальнее рассмотреть принципы их работы и эксплуатации. Именно в этих деталях скрываются ответы на вопросы об эффективности, надежности и целесообразности применения этого мембранного метода очистки воды.
Для эффективного удаления загрязнений с поверхности и из пор ультрафильтрационных мембран используют метод обратных промывок («backwash»), при котором очищенную воду пропускают через мембрану в направлении, обратном направлению фильтрования. Такие промывки производятся гораздо чаще, чем промывки обычных фильтров с зернистой загрузкой: для ультрафильтрационных мембран, предназначенных для очистки поверхностных вод, их частота колеблется от 1 до 4 раз в час, но продолжительность промывки составляет всего 10-30 секунд, поэтому объем сбрасываемой воды теоретически не должен превышать 2% от объема фильтрата.
Малый расход воды на обратную промывку подавался как преимущество ультрафильтрационной технологии, но на деле на эти цели расходуется до 10% фильтрата, что обусловлено необходимостью поддерживать производительность мембран на исходном уровне.
Типичный график работы ультрафильтрационной мембраны показан на рисунке – это «пила», где вертикальные линии – это восстановление производительности после обратной промывки. В первые часы работы расход воды через мембраны падает из-за забивания отдельных пор и сорбции загрязнений в них, но потом стабилизируется на определенном уровне, который зависит от параметров промывки – ее частоты, продолжительности, давления. С увеличением значений этих параметров эффективность обратных промывок повышается – мембрана полнее отмывается от загрязнений, но при этом значительно растет расход промывной воды, что в итоге приводит к уменьшению полезной производительности мембранной установки. Оптимум лежит где-то посередине – нет необходимости полностью отмывать мембрану, но важно поддерживать ее производительность на определенном уровне.
К сожалению, в полной мере это сделать невозможно – помимо взвешенных веществ, которые неплохо удаляются из мембранного аппарата, существуют органические загрязнения, адсорбирующиеся на материале мембраны, и биопленка, которая затем образуется на этой питательной среде. В результате производительность мембранной установки все равно снижается и периодически (несколько раз в год) возникает необходимость проводить более интенсивные промывки с помощью химических реагентов: детергентов, бактерицидных препаратов, кислот и щелочей. Для борьбы с органическими отложениями и биопленкой некоторые реагенты (например, гипохлорит натрия) дозируют в промывную воду постоянно или с определенной периодичностью (т.н. «enhanced chemical backwash»).
Еще один «подводный камень» – это закупоривание пор мембраны, которое часто бывает необратимым и существенно снижает ее производительность. Природная вода – это сложная смесь частиц различного размера: от молекул гуминовых кислот до глинистых частичек, поэтому в ней всегда будут присутствовать частицы, соизмеримые с порами ультрафильтрационных мембран (0,01-0,1 мкм). Поэтому полностью избежать стадии закупоривания пор, например, путем подбора размера пор мембраны или коагуляцией взвеси невозможно.
В этой связи показателен опыт работы некоторых ультрафильтрационных установок, на которые подавалась вода фактически питьевого качества, прошедшая отстаивание и фильтрование, озонирование и углевание. Казалось бы, на такой чистой воде с мутностью менее 1-2 мг/л мембраны будут работать идеально, с небольшим расходом воды на промывку и минимальным загрязнением. Однако на деле для поддержания проектной производительности потребовались все усилия: увеличение расхода промывной воды, химические промывки, работа в режиме рециркуляции. Одной из вероятных причин были полисахариды – высокомолекулярные органические вещества природного происхождения, которые даже в малой концентрации в очищенной воде постепенно, но неуклонно забивали поры ультрафильтрационных мембран. Кроме того, оборот промывной воды дополнительно обогащал исходную воду этими мельчайшим частицами, задержанными и смытыми затем с поверхности мембран.
В зависимости от режима течения жидкости в мембранном модуле существуют три основные схемы работы ультрафильтрационных установок: с поперечным потоком («cross-flow»), с частичным сбросом концентрата («feed-and-bleed») или с циркуляцией концентрата, с тупиковой фильтрацией («dead-end»).
В первых двух случаях исходная жидкость течет параллельно поверхности мембраны, при этом часть жидкости, называемая фильтратом, проходит через мембрану, а оставшийся объем вместе с задержанными загрязнениями выводится из мембранного модуля. При таком режиме работы необходимо поддерживать высокую скорость потока жидкости над поверхностью мембраны, чтобы задержанные загрязнения не осаждались на поверхности мембраны, а находились во взвешенном состоянии. В этом случае удается избежать роста осадка на поверхности мембраны и тем самым обеспечить продолжительную непрерывную работу мембранного аппарата.
Из двух схем для ультрафильтрации наибольшее распространение получили схемы с рециркуляцией концентрата. В этом случае сбрасываемая из мембранного модуля жидкость повторно направляется на его вход. Для предотвращения роста концентрации загрязнений в циркуляционной линии из нее постоянно или периодически (обычно при обратных промывках) выводится часть жидкости. Основной недостаток такой схемы – повышенные затраты электроэнергии, а также необходимость сооружения циркуляционных контуров.
Режим циркуляции может включаться по необходимости, а в остальное время мембранный аппарат может работать в режиме с тупиковой фильтрацией, когда весь объем исходной жидкости профильтровывается через мембрану, а для удаления образовавшегося по поверхности мембраны слоя загрязнений используют периодические обратные и прямые (создание большой скорости потока над поверхностью мембраны) промывки. Тупиковый режим изначально предполагался основным для ультрафильтрационных установок очистки воды.
Для вод с высоким содержанием взвешенных веществ или при добавлении больших количеств коагулянта тупиковый режим оказывается неэффективным из-за интенсивного осадкообразования на поверхности мембраны. Однако для вод с невысокой мутностью применение тупикового режима считается наиболее предпочтительным.
В сравнении с остальными тупиковый режим является более экономичным в плане потребления электроэнергии (0,18-0,22 кВт·ч/м3). Однако при тупиковой фильтрации средняя производительность мембран ниже, что увеличивает как капитальные затраты на сооружение системы очистки, так и эксплуатационные затраты на промывку мембран и восстановление их производительности. Для схемы с поперечным потоком сооружение циркуляционного контура требует также дополнительных капитальных затрат. В итоге компромиссным решением оказывается сооружение циркуляционного контура и включение его в зависимости от темпов падения потока через мембраны или прироста рабочего давления, если установка работает при фиксированной производительности.
Ультрафильтрация может использоваться как для непосредственной обработки воды из поверхностных источников, так и в сочетании с предварительной коагуляцией, отстаиванием, фильтрованием, озонированием, обработкой воды активированным углем. Для защиты мембран от засорения крупными частицами перед ультрафильтрационной установкой помещают сетчатый фильтр с размером ячеек 100-200 мкм. Для борьбы с растворенными органическими соединениями, отвечающими за цветность и окисляемость природной воды, а также примесями антропогенного происхождения – пестицидами, гербицидами, детергентами, тригалометанами, нефтепродуктами, фенолом – используют дозирование порошкообразного адсорбента (например, активированного угля) в исходную воду перед ультрафильтрационной установкой. Особенность такого применения адсорбентов заключается в повышении их сорбционной емкости, во-первых, за счет возможности использования более тонкодисперсных форм, а во-вторых, за счет интенсивного перемешивания и улучшения массообмена в мембранных аппаратах.
В зависимости от условий эксплуатации, загрязненности исходной воды и ряда других факторов срок службы ультрафильтрационных аппаратов обычно составляет 5-6 лет, в отдельных случаях он может быть продлен до 10-12 лет. При дальнейшей работе наступает химическая и механическая деструкция полимерной поверхности мембран, что делает невозможным поддержание проектных характеристик мембранной установки.
