Установки ультрафильтрации

Ультрафильтрация с полупроницаемыми мембранами играет важную роль в очистке воды из-за ее компактности и эффективности. Ультрафильтрация (UF) – это процесс очистки воды, при котором вода пропускается через полупроницаемую мембрану. Используется для отделения коллоидов, кремнезема, ила, любых твердых взвешенных частиц, органических молекул, белков, вирусов, бактерий, эндотоксинов и пирогенов из водного раствора, при котором все загрязнения остаются на одной стороне мембраны, на стороне концентрата, в то время как вода и низкомолекулярные растворенные вещества фильтруются через мембрану на сторону пермеата.

Современные мембранные технологии появились в конце 1990-х годов, когда в производстве мембран начали использоваться химия и технологии полимерных мембран. Эти новые материалы и методы производства сделали УФ эффективным и конкурентоспособным процессом очистки воды.

Преимущества использования технологии ультрафильтрации воды:
– имеет большую фильтрующую поверхность и обеспечивает высокую скорость очистки воды при компактных размерах;
– низкие энергозатраты так как требуемое рабочее давление составляет от 0,5 до 1,5 бар;
– не требуется предварительная обработка химическими реагентами;
– размер пор 0,03 микрона обеспечивает полное удаление вирусов, бактерий и любых твердых частиц;
– стабильное качество пермеата менее 0,1 NTU (независимо от мутности сырой воды) и SDI менее 2,5;
– небольшой объем сброса промывной воды, около 5% от общего объема очищаемой воды;
– рабочий диапазон рН 6 - 9 (2 - 11 при промывках), рабочая температура от 1 до 40 °C;
– низкие требования по содержанию хлора в обрабатываемой воде < 0,5 ppm (допускается кратковременное воздействие 200 - 2000 ppm);
– возможно применение водовоздушной промывки для увеличения её интенсивности и сокращения объёма промывных вод;
– срок службы UF модулей составляет от 5 до 7 лет.

Сферы применения

1. Предварительная очистка перед обратным осмосом в качестве надежного барьера от взвешенных частиц. Применяется чаще всего в случае забора исходной воды из поверхностных источников (море, реки, озера и т.д.) и обеспечивает стабильное качество воды перед обратным осмосом без использования химических реагентов. Позволяет работать обратному осмосу с более высоким извлечением пермеата и существенно продлевает срок службы мембран обратного осмоса.

2. Подготовка воды для хозяйственно-бытовых нужд и питья. Ультрафильтрация удаляет частицы и макромолекулы из сырой воды, чтобы сделать ее пригодной для питья. Она используется либо для замены существующих вторичных (коагуляция, флокуляция, осаждение) и третичных (фильтрация песком и хлорирование) систем фильтрации на водоочистных сооружениях, либо в качестве автономных систем в изолированных регионах с растущим населением.

3. Концентрирование. Используется для рециркуляции потока или повышения ценности следующих продуктов: сырной сыворотки, фруктовых соков, фармацевтическом производстве и т.д. Концентрирование белка – В молочной промышленности УФ обычно используется для получения концентрата сывороточного протеина (WPC) и обогащенного лактозой пермеата из сырной сыворотки. При однофазном использовании УФ-установка концентрирует сыворотку в 10-30 раз от исходных значений.

4. Очистка сточных вод. UF в других конфигурациях (например, погружной тип, где пучки голых волокон погружаются в мутную воду, с потоком снаружи внутрь с помощью вакуума) - наиболее подходящий тип для этого применения. В последнем случае пучки УФ-волокон физически извлекаются из мутной воды и очищаются в автономном режиме.

5. Другие области применения, такие как восстановление ферментов, осветление фруктового сока, диализ крови, радиоуглеродное датирование костного коллагена и другое.

Принцип работы и устройство

Ультрафильтрация представляет собой класс фильтрации, в котором используется мембрана, либо в виде спирально намотанного элемента, похожего на мембрану обратного осмоса, либо, чаще, трубчатый элемент, известный как полое волокно. УФ-фильтр имеет размеры пор в диапазоне от 0,001 до 0,1 микрона, при номинальном значении 0,03 микрона.

В системах водоподготовки чаще используется направление потока "снаружи-внутрь", которое обеспечивает меньшее загрязнение, больший фильтроцикл, большую площадь потока и простоту промывки. Такое направление фильтрации похоже на очистку через микрофильтрационный катридж. Но в отличие от картриджного фильтра, в котором элементы должны быть заменены при их загрязнении, UF имеет постоянные элементы (полые волокна), которые могут быть очищены обратной промывкой, продувкой воздухом и более мощными операциями CEB и CIP. Это обеспечивает УФ-фильтру длительный срок службы, более тонкую фильтрацию и гораздо меньшее техническое обслуживание, чем у сменного фильтрующего элемента.

В очистке воды чаще используется режим тупиковой фильтрации, но модуль может работать с использованием постоянного отвода концентрата. Тупиковая фильтрация потребляет меньше энергии и имеет более низкое рабочее давление, чем в тангенцальном режиме, что снижает эксплуатационные расходы. Как правило, ультрафильтрация осуществляется при постоянном потоке пермеата. Трансмембранное давление (TMP) со временем естественным образом увеличивается, и модуль можно периодически очищать обратной промывкой и продувкой воздухом для удаления загрязняющего слоя. Для полного удаления и предотвращения потери производительности из-за биологического роста, а также других загрязнений можно использовать дезинфицирующие и другие чистящие средства.

Типы мембран: Подобно обратному осмосу и нанофильтрации, ультрафильтрация может осуществляться в спирально намотанных мембранах с использованием разделения поперечного потока, при котором поток сырья вводится в мембранный элемент под давлением и проходит по поверхности мембраны в контролируемом потоке. Часть сырья проходит через мембрану и называется пермеатом. Отбракованные материалы смываются потоком, называемым концентратом. Такое расположение обеспечивает большую площадь поверхности мембраны при небольших габаритах, но в большей степени подвержено загрязнению, поскольку ее нельзя промывать обратной промывкой.

Другим распространенным устройством является использование мембран из полых волокон. Мембрана состоит из длинных, очень тонких трубок или волокон (обычно диаметром от 0,6 до 2 мм), которые запаяны в соединители с обоих концов. Сотни таких волокон с одним входным и выходным соединителем называются “пучком” или “картриджем” и могут быть сгруппированы вместе, образуя “модуль”. Обычно их изготавливают из гидрофильного полимера H-PVDF имеющего высокую стойкость к химическим веществам, нагреванию и загрязнению и механическую прочность.

В случае с полым волокном допускается использование эффективной обратной промывки, при которой вода или моющий раствор протекают через мембрану в обратном фильтрации направлению, очищая поры ультрафильтрационного полотна изнутри.

При первоначальном запуске модули промываются с помощью прямой промывки для удаления остатков химикатов или захваченного воздуха. Это промывание происходит только снаружи волокон и не создает фильтрата. После прямой промывки модули могут быть переведены в рабочий режим. Рабочий цикл обычно составляет от 20 до 60 минут. Во время работы модуль находится в тупиковом режиме, что означает, что 100% исходной воды преобразуется в фильтрат. На этом этапе удаляются загрязняющие вещества, и трансмембранное давление повышается. По истечении заданного времени запускается цикл обратной промывки очищенной водой.

Режим обратной промывки устанавливается с периодичностью по времени и может включать очистку воздухом. Она всегда включает сброс, обратную промывку через верхний и нижний выход чистой воды и прямую промывку. Этап очистки воздухом используется для разрыхления твердых частиц, осевших на внешней поверхности мембраны. Воздух подается в нижней части модуля и проходит вдоль внешней стороны волокон, и после водовоздушной промывки модуль полностью опорожняется.

Если качество исходной воды плохое, обычные обратные промывки могут быть недостаточно эффективны, можно использовать химически усиленную обратную промывку CEB (Chemically Enhanced Backwash). В зависимости от рода загрязняющих веществ в воде, используются растворы серной кислоты, гипохлорита натрия и едкого натрия. Реагент дозируется непосредственно в поток воды, подаваемый на обратную промывку.

В самых сложных случаях для максимально возможной очистки мембран лучше всего предусмотреть полноценный блок химической промывки CIP с возможностью замачивания и рециркуляции концентрированного химического раствора в системе. Во время химической промывки CIP используются концентрированные растворы с уровнем pH 2 - 12, при этом цикл рециркуляции составляет 30 - 40 минут, а цикл процедуры замачивания длится около 60 минут. Процессы повторяются несколько раз, до тех пор, пока рН рабочего раствора не перестанет изменяться во время промывки, что будет говорить о том, что загрязнений, с которыми реагент мог вступить в реакцию не осталось.

Рис. 1 Циклограмма работы и промывок установки ультрафильтрации

На циклограмме работы установки ультрафильтрации показано увеличение перепада давления в зависимости от времени и следующие рабочие процессы:

1 – Процесс фильтрации. Во время цикла фильтрации на мембранах накапливается осадок и растет перепад давления. В данном примере, в течение 20 минут, перепад давления  изменяется от 0,4 до 0,5;
2 – Процесс физической промывки. Во избежание образования плотного слоя осадка и с целью восстановить работоспособность мембраны после каждого цикла фильтрации проводится промывка водой. Во время физической промывки мембрана окончательно не отмывается и изначальный перепад давления все время растет. Это связано с накоплением на поверхности мембран органических и неорганических солей;
3 – Процесс химической промывки. Во время химической промывки мембрана отмывается от органических и неорганических солей. После химической промывки изначальные параметры давления восстанавливаются.

Устройство установки ультрафильтрации

Модельный ряд стандартных установок

Модель установки	Производительность  м3/час	Ежедневный сброс при постоянной работе	Присоединения труб (вход / пермеат / концентрат) мм	Потребляемая  мощность, кВт	Габариты  установки, мм
Низкая мутность исх. воды (скважина) < 5 NTU; возможный поток 75 л*м*ч; процент пермеата ~ 96%
UF-5,0-A/1	5,0	5,0	DN 50 / 40 / 40	2,0	2800 х 800 х 2000
UF-10,0-A/1	10,0	10,0	DN 65 / 50 / 50	4,0	3800 х 800 х 2000
UF-20,0-A/1	20,0	19,0	DN 80 / 65 / 50	8,0	3800 х 1000 х 2000
UF-30,0-A/1	30,0	29,0	DN 100 / 80 / 50	12,5	4200 х 1000 х 2000
UF-50,0-A/1	50,0	48,0	DN 115 / 100 / 50	22,0	5000 х 1000 х 2000
UF-70,0-A/1	70,0	67,0	DN 125 / 115 / 50	30,0	6200 х 1000 х 2000
UF-100,0-A/1	100,0	96,0	DN 150 / 125 / 65	40,0	8000 х 1000 х 2000
Средняя мутность исх. воды (морская вода) < 20 NTU; возможный поток 45 л*м*ч; процент пермеата ~ 94%
UF-5,0-SW/1	5,0	7,0	DN 50 / 40 / 40	2,2	3000 х 800 х 2000
UF-10,0-SW/1	10,0	14,0	DN 65 / 50 / 50	4,4	4000 х 800 х 2000
UF-20,0-SW/1	20,0	29,0	DN 80 / 65 / 50	10,0	4000 х 1000 х 2000
UF-30,0-SW/1	30,0	43,0	DN 100 / 80 / 50	13,5	4400 х 1000 х 2000
UF-50,0-SW/1	50,0	72,0	DN 115 / 100 / 50	24,0	5800 х 1000 х 2000
UF-70,0-SW/1	70,0	101,0	DN 125 / 115 / 50	32,5	7200 х 1000 х 2000
UF-100,0-SW/1	100,0	144,0	DN 150 / 125 / 65	46,0	9500 х 1000 х 2000
Высокая мутность исх. воды (поверхностная вода) < 50 NTU; возможный поток 60 л*м*ч; процент пермеата ~ 85%
UF-5,0-S/1	5,0	17,0	DN 50 / 40 / 40	2,6	3400 х 800 х 2000
UF-10,0-S/1	10,0	34,0	DN 65 / 50 / 50	5,2	4800 х 800 х 2000
UF-20,0-S/1	20,0	67,0	DN 80 / 65 / 50	11,0	4800 х 1000 х 2000
UF-30,0-S/1	30,0	101,0	DN 100 / 80 / 50	16,0	5000 х 1000 х 2000
UF-50,0-S/1	50,0	168,0	DN 115 / 100 / 50	28,0	7000 х 1000 х 2000
UF-70,0-S/1	70,0	235,0	DN 125 / 115 / 50	38,0	9000 х 1000 х 2000
UF-100,0-S/1	100,0	336,0	DN 150 / 125 / 65	54,0	12000 х 1000 х 2000

*Конфигурация и габаритные размеры установок ультрафильтрации приведены для примера. Возможны иные компоновки.