Ультрафильтрация (UF)— мембранное разделение жидкости под давлением на фильтрат (поток с низкой мутностью) и концентрат (поток с высокой мутностью). Этот метод используется для удаления из воды взвешенных и коллоидных веществ, водорослей и бактериологических загрязнений, включая Giardia и Criptosporidium, вирусов, однако ультрафильтрация не предназначена для удаления гидратированных ионов и небольших молекул. Таким образом, химический состав воды не изменяется.
Традиционно модули ультрафильтрации работают при давлении от 0,5 до 4,0 атм. Установки ультрафильтрации обычно автоматизированы и легки в эксплуатации. Однако при неправильном выборе предподготовки или ухудшении состава исходной воды может быть увеличена частота промывок установки ультрафильтрации.
Срок службы мембран ультрафильтрации– от 3-х до 5-ти лет, что сопоставимо с мембранами обратного осмоса. Модули ультрафильтрации бывают половолоконными, трубчатыми, плоскорамными и рулонными, но чаще всего применение находят половолоконные модульные блоки.
Мембраны ультрафильтрации задерживают частицы размером 0,03-0,1 мкм и молекулярного веса – от 10 000 а.е.м. Размер пор и величина отсекающей способности Сut-off (MWCO), выраженная в а.е.м. (Дальтон), являются основными характеристиками мембран ультрафильтрации. MWCO – молекулярная масса веществ, которые отсекаются мембраной ультрафильтрации более, чем на 90%.
Мембранные волокна ультрафильтрации могут быть изготовлены из полисульфона, полиамида, поливинилиденфторида, поливинилхлорида (PVC) и т.д. Чаще всего мембраны ультрафильтрации имеют ассиметричную структуру, т.е. в толще волокна есть участки высокой и низкой плотности. Участки с высокой плотностью являются селективными, в то время как участки с низкой плотностью обеспечивают прочность волокон.
Модуль ультрафильтрации состоит из нескольких ультрафильтрационных волокон, изготовленных из ассиметричного PVC. Вода в мембране фильтруется изнутри наружу. В основном применение находят мембранные модули с размером пор 0,05 мкм и Cut-off 100000 кДа. Это позволяет удалить следующие загрязнения:
| Наименование | Удаление, % |
|---|---|
| Коллоидный кремний Si | > 99 |
| Коллоидное железо Fe | > 99 |
| Коллоидный алюминий Al | > 99 |
| Остаточная мутность | < 0.5 мг/л |
| Взвешенные вещества | > 99 |
| Общий органический углерод (ООУ) | 30 (см. примечание) |
| Микроорганизмы | > 99,9 |
| SDI (Коллоидный индекс) | > 98 |
Примечание: Значения ООУ приблизительны и зависят от характера органических примесей в источнике водоснабжения.
Часть воды с концентрированными загрязняющими веществами направляется на слив, это т.н. концентрат, количество которого составляет от 5 — 10% от исходной воды в зависимости от степени и состава загрязнений. Популярная сегодня практика не сливать концентрат (тупиковая фильтрация) не выдерживает критики, так как мембраны очень быстро засоряются и промывки установки ультрафильтрации приходится проводить гораздо чаще. Т.о. количество воды на промывку установки резко возрастает и составляет не 5%, как обычно утверждается, а те же 10-15%. При этом резко возрастают и энергозатраты на эксплуатацию установки ультрафильтрации.
Промывка установки большим расходом очищает поверхность и восстанавливает производительность модуля ультрафильтрации. Длительность промывки – 2 минуты, частота ее проведения – 1 раз в час при правильно спроектированной установке ультрафильтрации.
1 раз в 6 промывок проводится т.н. химусиленная промывка, при этом в промывную воду подается гипохлорит натрия.
Если же производительность установки ультрафильтрации неуклонно падает, необходимо промыть модули химическими растворами, которые смывают с поверхности мембран ультрафильтрации отложившиеся загрязнения. Промывки проводятся «на месте» (CIP-мойка) щелочным и кислотным составами.
Установки ультрафильтрации
Типовая комплектация
- Мембранные модули половолоконного типа с различной отсекающей способностью отсекающей способностью (чаще всего 100 кДа).
- Система промывки мембран обратным током с насосом, фильтром и дозатором гипохлорита натрия для проведения химусиленной промывки.
- Система CIP-мойки в составе: емкость химического раствора, маточная емкость, насос циркуляции раствора и перекачивания из маточной емкости в основную, промывной насос.
- Система мембранных и электромагнитных вентилей для коммутации потоков.
- Компрессор для управляющего воздуха.
- PLC-контроллер для управления процессом.
- Комплект измерителей расхода (флоуметров).
- Дифференциальный манометр.
Дополнительное оборудование (опции):
- Фильтр сетчатый с автоматической промывкой для исходной воды 80-100 мкм.
- Насосная станция подачи исходной воды с частотным регулированием.
- Дозатор гипохлорита натрия для исходной воды.
- Измеритель мутности исходной воды и фильтрата (мутномер).
- Измеритель содержания остаточного хлора.
- Емкость для сбора фильтрата установки ультрафильтрации.
- Регулятор давления.
- Интеграция в АСУ ТП.
- рН-метр портативный для проведения химпромывки
- Набор рагентов портативный для измерения свободного хлора.
Описание работы установки:
Исходная вода с давлением 1,6 – 4,1 бар подается на сетчатый фильтр 80-100 мкм, а затем – непосредственно в мембранные модули установки ультрафильтрации. Фильтрование осуществляется изнутри волокна наружу. Для предотвращения биообрастания в исходную воду дозируется 0,5-1,0 мг/л гипохлорита натрия.
В процессе загрязнения внутренней поверхности волокна возникает необходимость проведения промывки из-за перепада давления, называемого трансмембранным. Промывка проводится сначала прямым потоком с расходом в 1,5 раза большим номинального, а затем обратным – с расходом в 2 раза большим номинального. В конце цикла промывки – снова прямой поток. Общая длительность цикла промывки – 2-3 минуты. Периодичность устанавливается в зависимости от степени загрязненности мембран, т.е. от величины трансмембранного давления.
В процессе промывки в воду автоматически подается гипохлорит натрия 200,0 мг/л для дезинфекции и улучшения отмывки (CEB1). Иногда требуется также проведение промывки с химическими реагентами (щелочами и кислотами) для отмывки или предупреждения загрязнений (CEB2).
В случае повышения трансмембранного давления до величины 1 бар срабатывает аварийное автоматическое включение цикла промывки во избежание порыва мембранных волокон.
Фильтрат (очищенная вода) накапливается в баке фильтрата, из него же ведется забор воды для промывки. Противодавление более 0,5 бар нежелательно.
Со временем слой загрязняющих отложений на мембране увеличивается, и возникает необходимость проведения более длительной промывки химическими веществами. Для такой промывки в установке предусмотрена система CIP-мойки, включающая емкости для рабочего и маточного растворов, а также насосы и картриджные фильтры.
Управление клапанной системой осуществляется PLC-контроллером посредством сжатого воздуха, производимого компрессором.
