Метод ультрафильтрации в современном водоснабжении проблемы и перспективы

А. Г. Первов, А. П. Андрианов, Московский государственный строительный университет

Введение

Ультрафильтрационная технология разделения растворов известна давно, она успешно применяется в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности, однако в сфере водоснабжения об этом методе всерьез заговорили всего три-четыре года назад.

Это связано с появлением на рынке промышленно освоенных и коммерчески доступных мембран и аппаратов, а также отработкой надежной технологии их эксплуатации. Начавшийся в водоснабжении «бум» мембранных технологий обусловлен огромными масштабами производства новых мембранных аппаратов, специально предназначенных для работы в составе систем очистки природных вод. Новая отрасль промышленности долго осваивала и совершенствовала производство мембран с целью использования их на крупных водопроводных станциях.

Переход к ультрафильтрации вызван рядом причин, прежде всего – неудовлетворительным качеством питьевой воды в городах, связанным с ограниченными возможностями существующих очистных сооружений. Песчаные зернистые фильтры, входящие в состав всех станций водоподготовки, часто не в состоянии задержать очень мелкие частички (коллоиды), болезнетворные бактерии и вирусы, обычно развивающиеся в этих фильтрах. Именно на ультрафильтрационные мембраны «возложили» обязанность доочистки питьевой воды, ведь эти мембраны имеют поры размером 0,01–0,1 микрон, позволяющие задерживать бактерии и вирусы.

«Оживление» и интерес к технологии ультрафильтрации среди специалистов подогревается растущими масштабами ее применения: в США, Великобритании, Нидерландах, Малайзии, Сингапуре, Париже, а теперь и в Москве сооружаются и работают крупные станции водоподготовки, пропускающие сотни тысяч м³ воды в день.

Объемы производства и продаж мембранных аппаратов и систем очистки воды на их основе постоянно возрастают, однако существует ряд трудностей, возникающих на всех стадиях их внедрения: с одной стороны, среди инженеров по водоснабжению мало специалистов по мембранам, поскольку мембранные технологии не входили в должном объеме в программу вузовской подготовки. С другой стороны, среди производителей мембран не так много можно найти специалистов, детально разбирающихся в проблемах современного питьевого водоснабжения.

Как известно, до сих пор еще не создано идеального «универсального» оборудования, и существующие технологии прорабатываются лишь для определенных ограниченных условий. Расширение области применения мембран, поиск новых «ниш» для их внедрения – процесс длительный, требующий накопления опыта, изучения процесса очистки.

Внезапно появившаяся на рынке и часто излишне рекламируемая мембранная технология ультрафильтрации имеет большие перспективы, но далеко не универсальна. Для того чтобы эффективно использовать мембранные установки в решении задач питьевого водоснабжения, специалистам необходимо иметь представление о сильных и слабых сторонах этой технологии.

Ультрафильтрационные мембраны и аппараты

Ключевым элементом любой ультрафильтрационной системы очистки воды являются мембранные аппараты, поэтому от выбора типа мембран, конструкции мембранных модулей и режима их работы будет зависеть успех работы всей установки.

Что понимают под мембранной ультрафильтрацией применительно к очистке природных вод?

Ультрафильтрация – это баромембранный процесс, заключающийся в том, что жидкость под давлением «продавливается» через полупроницаемую перегородку. Размер отверстий (пор) ультрафильтрационных мембран лежит в пределах от 5 нм до 0,05–0,1 мкм. Главное отличие мембраной фильтрации от обычного объемного фильтрования в том, что подавляющее большинство всех задерживаемых веществ накапливается на поверхности мембраны, образуя дополнительный фильтрующий слой осадка, который обладает своим сопротивлением.

Наиболее экономичный режим работы ультрафильтрационных установок – «тупиковый», когда вся исходная вода пропускается через мембрану. В ряде случаев для борьбы с ростом осадка над поверхностью мембраны создают дополнительный поток из обрабатываемой жидкости, который размывает накапливающийся осадок. Жидкость, содержащая удаленные с поверхности мембраны загрязнения, выводится из разделительного аппарата. Для более эффективного удаления загрязнений с поверхности и из пор мембраны используют метод обратных промывок, при котором очищенную воду (фильтрат) пропускают через мембрану в направлении, обратном направлению фильтрования. Такие промывки производятся намного чаще, чем промывки обычных фильтров с зернистой загрузкой – от 1 до 5 раз в час, но их продолжительность составляет всего 10–30 секунд, поэтому объем сбрасываемой воды составляет 2–5 % от объема фильтрата.

Для предотвращения биологического зарастания ультрафильтрационных мембран в воду для обратной промывки мембранных элементов добавляют дезинфектант, чаще всего, гипохлорит натрия.

В процессе длительной работы производительность мембранных аппаратов постепенно уменьшается, т. к. на поверхности и в порах мембраны сорбируются различные вещества и отлагаются частички загрязнений, увеличивающие общее гидравлическое сопротивление мембранных аппаратов. Для восстановления первоначальной производительности несколько раз в год проводится химическая промывка мембранных аппаратов специальными кислотными и щелочными реагентами для удаления накопленных загрязнений.

Таким образом, основные задачи при проектировании мембранных установок – это подбор оптимального типа мембран в зависимости от состава исходной воды и определение оптимального режима эксплуатации мембранной установки, при котором загрязнение мембран было бы минимальным. Надежность работы обеспечивается правильным выбором материала мембраны, который был бы наименее чувствителен к загрязнениям, характерным для данного состава исходной воды, и конструкцией аппарата, которая должна позволять проводить гидравлические промывки мембран с максимальной эффективностью. Кроме того, важно уметь прогнозировать работу установки в течение длительного периода эксплуатации.

В качестве материала для изготовления ультрафильтрационных мембран в основном используются полимерные вещества – ацетат целлюлозы, полисульфон, полиэтерсульфон, полиамид, полиимид, поливинилиденфторид, полиакрилонитрил и их производные. Большинство ультрафильтрационных мембран – асимметричные, они состоят из тонкого селективного слоя толщиной несколько десятков мк или менее и пористой подложки, которая обеспечивает механическую прочность (рис. 1). Полимерным мембранам при их изготовлении могут придаваться разнообразные свойства, что позволяет управлять их селективными характеристиками и устойчивостью к загрязнению различными веществами.

Особое место занимают трековые мембраны (рис. 1в), получаемые путем вытравливания треков, оставшихся в полимерной пленке после ее облучения потоком высокоэнергетических частиц. Эти мембраны характеризуются очень узким распределением пор по размеру и симметричной структурой. Недостатком таких мембран является низкая поверхностная пористость и относительно высокая стоимость.

Большинство современных полимерных мембран устойчивы к воздействию микроорганизмов и химических соединений в широком диапазоне рH, обладают высокой селективностью и производительностью, допускают кратковременное воздействие сильных окислителей: свободного хлора, озона. Свойства мембран лишь незначительно ухудшаются в течение всего срока службы, который составляет 5 и более лет. Старение мембран может происходить из-за истончения верхнего слоя при взаимодействии с взвешенными и абразивными веществами, содержащимися в обрабатываемой воде, или очищающими химическими агентами.

Для производства ультрафильтрационных мембран также используют неорганические (керамические и металлокерамические) материалы на основе окислов Al₂O₃, TiO₂, ZnO₂. Керамические мембраны характеризуются долговечностью, высокой физической, химической и бактериальной стойкостью, что позволяет им работать в самых жестких условиях. Их применение сдерживается невысокой плотностью упаковки в мембранных модулях и трудностями получения пор меньшего диаметра.

В питьевом водоснабжении наибольшее распространение получили мембранные аппараты с полыми волокнами, или капиллярами, намного реже используются рулонные элементы и аппараты с трубчатыми мембранами. Каждой конструкции присущи свои достоинства и недостатки.

Капиллярные или половолоконные элементы состоят из пучков тонких полимерных трубчатых мембран диаметром 0,7–2,0 мм, фильтрование может производится «изнутри-наружу» или «снаружи-вовнутрь» (рис. 2). Они характеризуются довольно высокой плотностью «упаковки» мембран (площадь мембран в одном модуле может достигать 50–60 м²), высокими удельными потоками и хорошей гидродинамикой внутри волокон, что выражается в меньшей склонности к засорению внутренних напорных каналов мембран. Мембранные аппараты с полыми волокнами производятся зарубежными фирмами Norit, Aquasource, Inge, Koch, Hydranautics и др.

Рулонные элементы изготавливаются из плоских мембран, для формирования напорного и фильтратного каналов используются различные дренажные материалы – сетки (рис. 3). Рулонные элементы просты в эксплуатации, также обеспечивают высокую плотность «упаковки» мембран, достаточно устойчивы к загрязнению и гидравлическим нагрузкам. Существуют также аппараты с плоскими фильтрационными модулями, позволяющие получить лучшие гидравлические условия и упростить замену дефектных мембран. Производители рулонных аппаратов с плоскими мембранами: ЗАО НТЦ «Владипор», TriSep, Koch, General Electric (Osmonics), Alfa-Laval, Rochem (плоские фильтрационные элементы).

Особое место занимают так называемые погруженные мембраны, в которых процесс ведется не под действием избыточного давления, а под действием вакуума, который прикладывается к фильтратному тракту. Безкорпусные мембранные блоки с полыми волокнами (производители – Zenon, Koch) или рулонные элементы (TpiSep) погружаются в резервуар или канал исходной воды, туда же подается воздух для очистки поверхности мембран (рис. 4). Задержанные загрязнения удаляются с поверхности мембраны с помощью обратных промывок, осаждаются на дно резервуара и выводятся в дренаж. Преимущество таких систем: возможность обрабатывать без предварительной очистки воду с высокой мутностью, низкое энергопотребление (0,05–0,1 кВт•ч/м³), меньшее количество распределительных трубопроводов и арматуры.

Рисунок 5. График зависимости производительности ультрафильтрационной установки от времени (начальный участок кривой)

Рисунок 6. Пример графической оптимизации продолжительности фильтроцикла

Применение и установки

Изучение зарубежного опыта показывает, что развитие ультрафильтрационных систем очистки воды развивается по нескольким ключевым направлениям, отвечающим возможностям метода и существующим проблемам при подготовке питьевой воды.

Первое направление – использование ультрафильтрации в качестве альтернативы традиционным методам обеззараживания: обычные ультрафильтрационные мембраны с размером пор 0,01–0,05 мкм служат надежным барьером для патогенных микроорганизмов и вирусов. Они позволяют достичь 99,99%-го удаления вирусов и цист патогенных микроорганизмов, в том числе Giardia и Cryptosporidium, и практически 100%-го задержания бактерий и простейших [4].

Такие системы ультрафильтрационной очистки главным образом служат для обработки воды из подземных источников неглубокого залегания, их задачей является безреагентное обеззараживание и осветление воды при периодических повышениях мутности и микробиологической загрязненности воды, происходящих после дождей и весеннего снеготаяния.

Второе направление связано с предочисткой перед обратным осмосом в схемах умягчения, опреснения и обессоливании поверхностных вод для нужд питьевого водоснабжения, промышленности и энергетики.

Используя ультрафильтрацию вместо традиционной схемы водоподготовки, включающей коагуляцию, отстаивание и многоступенчатое фильтрование, можно получить воду с очень низким содержанием взвешенных и коллоидных веществ и в результате повысить производительность и продолжительность службы обратноосмотических мембран, сократить частоту их химических промывок.

Наибольший интерес представляет третье направление развития ультрафильтрации – использование ее как альтернативного высокотехнологичного процесса 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.

Ультрафильтрационные мембраны обеспечивают более тонкую очистку воды от взвешенных и коллоидных веществ, чем скорые фильтры, и вместе с тем позволяют обрабатывать воду с высокой мутностью без ухудшения качества фильтрата. Этот эффект достигается благодаря особой конструкции мембранных аппаратов и применению различных режимов их эксплуатации. Низкий расход промывных вод (обычно не более 5 %) делает эту технологию более привлекательной.

Для работы ультрафильтрационной установки необходим перепад давления на мембране всего 5–15 м, поэтому энергопотребление таких систем (от 0,2 до 0,5 кВт•ч/м³ [5]) сопоставимо с энергопотреблением традиционных методов фильтрования.

В данной статье мы рассмотрим конкретные примеры применения ультрафильтрационной технологии в данной области, а именно:

– очистка поверхностной воды на водопроводных станциях;

– доочистка воды городского водопровода;

– обезжелезивание и улучшение качества подземных вод;

– подготовка воды для технического водопровода на предприятиях.

Как было сказано выше, во всем мире уже работают водопроводные станции, модернизированные или вновь построенные с использованием ультрафильтрации. Доступность этого метода очистки для городских систем водоподготовки подтверждается цифрами: по данным фирмы «Дегремон», себестоимость питьевой воды, полученной с помощью ультрафильтрации, составляет от 0,03 до 0,25 евро/м³, а общие затраты с учетом замены мембран оцениваются на уровне 0,5–0,6 евро/м³ [6].

Другое достоинство данной технологии – ее гибкость, возможность адаптироваться к изменяющемуся качеству исходной воды. Наконец, одним из решающих факторов является высокая степень обеззараживания воды в сочетании с высокой надежностью сохранения этого показателя в процессе эксплуатации. Извлечение из воды микроорганизмов происходит на основе ситового механизма, что гарантирует высокую эффективность этого метода (для сравнения: размер пор УФ-мембран – 0,005–0,02 мкм, размер цист Giardia и Cryptosporidium – 5-15 мкм, Escherichia coli – 0,5 мкм, бактерии Salmonella, Shigella, Legionella – 0,3-1,5 мкм, вирусов – 0,01–0,03 мкм).

Важно отметить, что цель внедрения на водопроводных станциях процесса ультрафильтрации состоит не в очистке от новых загрязнений (хлорорганика, диоксины, тяжелые металлы), а в более эффективном решении давно существующих проблем – снижении количества остаточного алюминия, повышении барьерной роли сооружений по микробиологическим показателям, стабильном получении фильтрата с мутностью не более 1,5 мг/л (в перспективе – до 0,5 мг/л). Однако следует заметить, что существует метод удаления органических соединений, заключающийся в совместной обработке воды на мембранах с дозированием порошкообразного активированного угля.

Ультрафильтрационные мембраны также не позволяют существенно снижать цветность и окисляемость воды. Большинство органических соединений, содержащихся в природных водах, имеет молекулярный вес менее 3000–5000 и размеры молекул от 10 нм и менее. Следовательно, типичные ультрафильтрационные мембраны с размером пор 0,01 мкм и отсечением по молекулярной массе порядка 100 000–200 000 не должны задерживать эти вещества [7]. Исключение составляют некоторые типы вод с преобладанием высокомолекулярных гуминовых веществ. Эффективность очистки поверхностных вод по цветности и окисляемости на таких мембранах составляет соответственно 20–30 % и 5–15 %. Использование предварительной коагуляции перед подачей воды на ультрафильтрационную установку позволяет повысить эффект очистки примерно в два раза [8].

Интегрирование ультрафильтрации в традиционную схему очистки поверхностных вод может осуществляться на различных стадиях технологической цепочки. На существующих станциях мембранные установки ультрафильтрации наиболее эффективно применять после отстойников вместо скорых фильтров. Для защиты мембран от засорения крупными частицами перед ультрафильтрационной установкой помещают фильтр предочистки – самопромывающийся сетчатый фильтр с размером ячеек 100–200 мкм.

Использование мембранных установок дает следующие преимущества:

– повышает эффективность проведения процесса коагуляции и отстаивания, обеспечивая эффект очищенной воды даже при сниженных дозах коагулянта и неполной коагуляции;

– позволяет отказаться от первичного хлорирования, что, соответственно, снижает опасность образования хлорорганических соединений;

– снижает общую хлороемкость очищенной питьевой воды и, соответственно, дозу хлора. Задача хлорирования очищенной воды сводится к защите от повторного размножения бактерий в водопроводной сети.

Тем не менее, пока до широкого внедрения новых технологий далеко, качество воды в городских квартирах часто оставляет желать лучшего. А для создания комфортного уровня жизни необходима не только питьевая вода высокого качества, но также наличие чистой и прозрачной воды для душа, умывальника, стиральной и посудомоечной машины.

В первую очередь ухудшению потребительских свойств воды, льющейся из крана, мы обязаны неудовлетворительному состоянию городских водопроводных сетей. При перебоях в подаче воды в ней появляется большое количество окалины и ржавчины, поступающей из корродирующих водопроводных труб. Периодическое появление желтовато-бурой воды характерно и для квартир в пригородах, где водоснабжение ведется из артезианских скважин с высоким содержанием железа. И если крупные частицы окалины и песка задерживаются простыми сетчатыми фильтрами, то более мелкая взвесь и железо беспрепятственно проходят через них.

Во-вторых, если в крупных городах вода, выходящая с водопроводной станции, обычно соответствует всем нормативным требованиям, то в ряде малых населенных пунктов повышенная мутность и цветность воды – привычное явление.

Эффективным решением описанной проблемы являются системы доочистки водопроводной воды, основанные на методе ультрафильтрации. Схема и внешний вид установки показаны на рис. 7 и 8.



В загородном доме или таун-хаусе при наличии собственного постоянно работающего бойлера система устанавливается на трубу подачи холодной воды.

При необходимости вторая аналогичная установка может обеспечивать доочистку горячей воды. Для повышения электробезопасности при размещении системы очистки воды в помещениях с повышенной влажностью все элементы автоматики работают под напряжением 24 В.

Такие установки могут обеспечивать чистой водой как всю квартиру, так и отдельные ванные комнаты. Они устанавливаются в разрыв трубопроводов подачи холодной и горячей воды около стояков или другом удобном месте. Малые габариты и гибко трансформируемая конструкция позволяют разместить их в стесненных условиях городской квартиры – под ванной, под мойкой на кухне, в сантехнических нишах.

Описанная технология также может являться эффективным решением проблемы обезжелезивания подземных вод. В тех случаях, когда работает метод упрощенной аэрации с последующим фильтрованием, мембранные установки могут с успехом заменить громоздкие песчаные фильтры. Метод ультрафильтрации позволяет создавать на его основе компактные, полностью автоматизированные установки, простые и удобные в эксплуатации. Главные задачи, которые решаются с помощью мембран – удаление железа и мутности, обеззараживание воды.

Технологическая схема станции обезжелезивания приведена на рис. 9. Для перевода растворенного двухвалентного железа в трехвалентное перед подачей воды на ультрафильтрационные мембраны применяется предварительная аэрация воды. Высокая степень задержания коллоидных примесей позволяет упростить процесс аэрации и сократить его продолжительность, и, следовательно, уменьшить объем аэрационных сооружений. Отпадает необходимость и в мощных насосах для взрыхляющей промывки, т. к. мембранные модули промываются последовательно по отдельным небольшим блокам.

Станция очистки воды (рис. 10) включает в себя напорные аэрационные колонны с компрессорами, мембранные блоки, к которым подходят магистрали подачи исходной воды, отвода фильтрата и промывной воды (рис. 11), систему обратной промывки, состоящую из напорных баков и насосов обратной промывки, при необходимости – установку обеззараживания воды. Ультрафильтрационная установка может работать под напором скважинных насосов или с дополнительными насосами повышения давления. В последнем случае (при использовании дополнительных насосов) возможна замена напорных аэрационных колонн на открытую емкость для аэрации эжекцией.

Еще одна актуальная сфера применения ультрафильтрации – подготовка воды для технологических нужд промышленных предприятий.

Ряд предприятий часто имеет только технический водопровод, в котором находится вода из поверхностного водоисточника, прошедшая только грубую механическую очистку. По своему составу эта вода характеризуется обычно повышенным содержанием взвешенных и коллоидных веществ (мутности), органических гуминовых веществ (цветности), бактерий и т. д.

Традиционно на многих производствах вода из технического водопровода используется для оборотных систем охлаждения оборудования. Однако современные виды оборудования (например компрессоры) для охлаждения требуют воду с характеристиками по взвешенным веществам и цветности, соответствующими воде питьевого качества. В случае использования специального оборудования (например, ионообменной или обратноосмотической схемы для глубокого умягчения перед парогенераторами) подаваемая вода также должна соответствовать требованиям СанПиН 2.1.4.10–74–01 и требует специальной подготовки.

Внешний вид подобных систем показан на рис. 12 и 13.

Эксплуатация мембранных систем самой различной производительности – от 100 л/ч до 100 м³/ч и более – заключается в периодическом наблюдении за работой установки (раз в смену для крупных станций) – контроль рабочего давления, производительности, наличия реагентов в расходных баках и т. п. В зависимости от качества исходной воды (содержание железа в подземной воде, цветность и мутность поверхностных водоисточников) проводятся профилактические химические промывки мембранных аппаратов для удаления той части загрязнений, которые не смываются обратными промывками. Процедура химической регенерации группы мембранных аппаратов занимает 2–4 ч и не требует специальной квалификации персонала.

Заключение

Успехи внедрения ультрафильтрационной технологии в очистке поверхностных и обезжелезивании подземных вод, в доочистке водопроводной воды еще не говорят о возможности дальнейшего расширения области применения этого метода. Использование ультрафильтрационных мембран ограничено видами возможных загрязнений, содержащихся в воде.

Так, снижение цветности (обусловленной растворимыми в воде гуминовыми веществами с молекулярной массой от 2000 до 250 000), а также удаление из воды хлорорганических веществ – не под силу ультрафильтрационным мембранам.

В этом случае специалисты создают многоступенчатые комбинированные схемы с использованием различных технологических процессов: коагуляции, сорбции, окисления и др., в которых мембранам отводится роль «ловушки» бактерий, вирусов, микрочастиц. Для решения таких сложных проблем питьевого водоснабжения гораздо эффективнее оказывается другая мембранная технология – нанофильтрация. Более подробно об этой технологии – в следующих номерах.

Литература

1. Ho Chia-Chi, Zydney L. A combined pore blockage and cake filtration model for protein fouling during microfiltration. // J. Colloid & Interface Science. 2000. V. 232, p. 389-399.

2. Kosvintsev S., Holdich R.G., Cumming I.W., Starov V.M. Modelling of dead-end microfiltration with pore blocking and cake formation. // J. Membrane Science. 2002. V. 208, p. 181-192.

3. Андрианов А.П., Первов А.Г. Методика определения параметров эксплуатации ультрафильтрационных систем очистки природных вод // Критические технологии. Мембраны. 2003. № 2 (18).

4. Knops F.N.M., Franklin B. Ultrafiltration for 90 MLD Cryptosporidium and Giardia free drinking water: a case study for the Yorkshire Water Keldgate Plant. // Proc. of the Conf. on Membranes in Drinking and Industrial Water Production (Paris, 3-6 October). 2000. V. 1, p. 71-78.

5. Mavrov V., Chmiel H., Kluth J., Meier J., Heinrich F., Ames P., Backes K., Usner P. Comparative study of different MF and UF membranes for drinking water production. // Desalination. 1998. V. 117, p. 189-196.

6. Laine J.-M., Vial D., Moulart P. / Status after 10 years of operation – overview of UK technology today // Proceedings of the Conference on Membranes in Drinking and Industrial Water Production. Paris, France, 3-6 October, 2000 – V. 1, p. 17-27.

7. Sch_fer A.I., Fane A.G., Waite T.D. Cost factors and chemical pretreatment effects in the membrane filtration of waters containing natural organic matter. // Water Resources. 2001. V. 35, No. 6, p. 1509-1517.

8. Андрианов А.П., Первов А.Г. Перспективы применения мембранных методов ультрафильтрации и нанофильтрации на крупных водопроводных станциях // Проекты развития инфраструктуры города: Сб. науч. трудов. Вып. 4. Комплексные программы и инженерные решения в области экологии городской среды. М., 2004.