Установки ультрафильтрации

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.
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
– ультрафильтрационные половолоконные мембранные элементы;
– рамные конструкции из нержавеющей стали AISI 304;
– автоматизированная система управления на базе ПЛК с мониторингом данных и внешним управлением SCADA;
– набор КИП и А: манометры, индикатор мутности, счетчики расхода воды, датчики давления и уровня pH;
– самопромывной фильтр предварительной очистки воды 50 - 200 мкм;
– система водовоздушной промывки;
– насосный агрегат исходной воды с частотным регулированием;
– насос обратной промывки из с рабочими частями из нержавеющей стали AISI 316 и ЧРП;
– система химической промывки CEB с дозирующими насосами;
– комплекс автоматизированных затворов и клапанов для управления потоками.
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 |