Мембранная технология ультрафильтрации представляет собой заманчивую альтернативу традиционным методам осветления, обесцвечивания и обеззараживания воды. Многолетние разработки в области производства мембран и их аппаратурного оформления позволили значительно снизить себестоимость очистки воды методом ультрафильтрации и сделать его привлекательным для самых разных областей применения.
Ультрафильтрация – мембранный процесс, занимающий по своим селективным характеристикам промежуточное положение между нанофильтрацией и микрофильтрацией. Размер пор ультрафильтрационных мембран лежит в диапазоне от 0,005 до 0,1 мкм, что позволяет эффективно задерживать тонкодисперсные и коллоидные примеси, высокомолекулярные вещества, одноклеточные водоросли и микроорганизмы, цисты, бактерии, вирусы. В отличие от обратного осмоса или нанофильтрации ультрафильтрационные мембраны практически не задерживают растворенные в воде соли, что позволяет сохранить исходный солевой состав природной воды, а также избежать проблем с отложениями малорастворимых солей в мембранных аппаратах.
Другое отличие ультрафильтрации от обратного осмоса заключается в том, что задержанные на поверхности мембраны загрязнения удаляются с помощью гидравлических промывок обратным током – очищенная вода проходит через мембрану в обратном направлении, размывает осадок и уносит загрязнения. В этом работа ультрафильтрационных мембран схожа с работой сетчатых или зернистых фильтров, но в то же время мембраны обеспечивают более глубокую очистку воды от взвешенных и коллоидных веществ, планктона и патогенных микроорганизмов, чем скорые фильтры, а качество фильтрата мало зависит от мутности обрабатываемой воды. Когда эти преимущества оказываются решающими, выбор делается в пользу ультрафильтрации.
Большинство ультрафильтрационных мембран работает при давлениях 0,5-3,0 атм, поэтому в отличие от других мембранных методов – нанофильтрации и обратного осмоса, где требуются относительно высокие рабочие давления, для ультрафильтрации нет необходимости использовать специальные высоконапорные гидравлические системы и особые напорные корпуса, что позволяет удешевить саму конструкцию установок и снизить ее энергопотребление.
Для ультрафильтрации используются мембранные аппараты с полыми волокнами или капиллярами, аппараты с трубчатыми керамическими и полимерными мембранами, рулонные элементы, аппараты с пакетами из плоских мембран. Каждой конструкции присущи свои достоинства и недостатки.
Рулонные элементы изготавливаются из плоских мембран, для формирования напорного и фильтратного каналов используются различные дренажные материалы – сетки. Рулонные элементы просты в эксплуатации, обеспечивают высокую плотность «упаковки» мембран (до 1000 м2/м3), достаточно устойчивы к загрязнению и легко промываются, устойчивы к гидравлическим нагрузкам, позволяют легко проводить замену неисправных элементов. Вместе с тем существуют ограничения на тип используемых мембран, так как обычные композитные мембраны могут не выдержать обратную промывку и расслоиться.
Наибольшее распространение получили аппараты с полыми волокнами или капиллярными мембранами. Капиллярные мембраны специально разработаны для осветления природных вод и представляют собой тонкие полимерные трубки диаметром 0,7-2,0 мм (у полых волокон диаметр меньше – 0,1-0,4 мм). Фильтрование может вестись изнутри-наружу или снаружи-вовнутрь, оба варианта имеют свои плюсы и минусы и применяются разными производителями.
Капиллярные мембраны обладают меньшей склонностью к забиванию внутренних напорных каналов мембран (в отличие от половолоконных), характеризуются довольно высокой плотностью «упаковки» мембран (500-800 м2/м3, площадь мембран в одном модуле может достигать 50-60 м2) и высокими удельными потоками. Аппараты с капиллярными мембранами не содержат сепараторных и дренажных сеток, поэтому они конструктивно проще и обеспечивают большую устойчивость мембранных элементов к засорению взвешенными веществами и биологическому обрастанию. Недостатки капиллярных мембран: плохая гидродинамика в пространстве между волокнами и склонность к сплющиванию волокон при высоких значениях наружного давления.
Особое место занимают так называемые погружные мембраны, где процесс ведется не под действием избыточного давления, а под действием вакуума, который прикладывается к фильтратному тракту. Безкорпусные мембранные блоки с полыми волокнами, плоскими мембранами или рулонными элементами погружаются в резервуар или канал исходной воды, туда же подается воздух для очистки поверхности мембран. Задержанные загрязнения удаляются с поверхности мембраны с помощью обратных промывок, осаждаются на дно резервуара и выводятся в дренаж. Преимущество таких систем состоит в возможности обрабатывать без предварительной очистки воду с высокой мутностью, низкое энергопотребление (0,05-0,1 кВт·ч/м3), меньшее количество распределительных трубопроводов и арматуры.
Погружные модули позиционировались некоторыми компаниями как замена скорых фильтров при реконструкции станций водоподготовки, но все же основная область их применения – это мембранные биореакторы для очистки сточных вод.
Какие же преимущества обещает внедрение ультрафильтрации для водоподготовки? Так, теоретически можно отказаться от таких технологических процессов, как отстаивание и фильтрование, и упростить технологическую схему, на практике же такой подход применяется редко. Хотя ультрафильтрационные мембраны позволяют обрабатывать воды с высокой мутностью без потери качества очищенной воды, затраты на поддержание производительности мембран (в том числе расход промывной воды) будут слишком высоки. Вместе с тем, с помощью ультрафильтрации можно добиться улучшения степени осветления воды без увеличения дозы коагулянта, а в ряде случаев – достичь снижения мутности, цветности и окисляемости без использования реагентов.
Выделяется несколько основных стимулов внедрения ультрафильтрации в водоподготовку. Во-первых, ультрафильтрация используется как альтернатива традиционным методам обеззараживания: обычные ультрафильтрационные мембраны с размером пор 0,01-0,05 мкм служат надежным барьером для всех патогенных микроорганизмов и вирусов. Ультрафильтрация также полностью убирает взвешенные вещества, что является косвенным признаком микробиологической чистоты воды. Область применения – обработка воды из подземных источников неглубокого залегания и чистых озер, безреагентное обеззараживание и осветление воды при периодических повышениях мутности и микробиологической загрязненности воды, происходящих после дождей и весеннего снеготаяния. В ряде случаев ультрафильтрация выступает как дополнительный барьер после традиционной схемы подготовки питьевой воды (4-й блок Западной станции водоподготовки в Москве).
Во-вторых, глубокое удаление взвешенных веществ из исходной воды благоприятным образом сказывается на эксплуатации обратноосмотических установок, используемых в энергетике и промышленности. Используя ультрафильтрацию вместо традиционной схемы водоподготовки, включающей коагуляцию, отстаивание и многоступенчатое фильтрование, можно повысить производительность и продолжительность работы обратноосмотических мембран, сократить частоту их химических промывок.
Наконец, третье направление – это использование ультрафильтрации высокотехнологичного процесса, заменяющего обычное фильтрование в схемах очистки и кондиционирования природной воды. Главное достоинство данной области применения мембранной технологии заключается в возможности получения высоких эффектов очистки без использования дополнительных стадий обработки воды и реагентов. Кроме того, в некоторых случаях мембраны с минимальным размером пор позволяют достичь требуемых показателей по цветности и окисляемости без применения реагентов. Все это стимулировало интерес специалистов к описываемой технологии на заре ее становления и выразилось в большом количестве разработок и примеров внедрения.