Отправить заявку

Технология Ультрафильтрации

 

Питьевое водоснабжение. Из прошлого в будущее.

ООО «НПО Энергомашавтоматика», к.т.н. О. Ф. Парилова 

Введение.

Неуклонно растущие потребности в воде все чаще заставляют задуматься о ее качестве, рациональности использования и возможности экономии. Все больше внимания уделяется очистке воды различных источников в научной литературе, на международных симпозиумах, конференциях и т.д. С конца XVIII века вода стала научно осознанным объектом исследований и не перестает им оставаться по настоящее время. Разнообразный состав вод, сезонность изменения состава воды и требования к качеству обработанной воды ставят порой трудные задачи перед инженерами всего мира.

Вода в той или иной степени используется практически во всех отраслях народного хозяйства (энергетика, металлургия, химия и нефтехимия, фармацевтика и пр) и, практически везде требуется принимать меры по подготовке (очистке) воды для того, что бы обеспечить возможность ее применения в основном производстве. Единственная отрасль, в которой очистка воды является сама по себе основным производством – это область питьевого водоснабжения. При этом сегодня экономическое состояние отрасли таково, что практически все водоканалы имеют возможность применять для водоподготовки в основном устаревшее оборудование и технологии. Безусловно, данные технологии (осаждение взвешенных веществ в отстойниках и фильтрование на песчаных механических фильтрах) являются рабочими, имеют высокую надежность и просты в эксплуатации, что подтверждается их работоспособностью на протяжении последних 30-50 лет зачастую с минимальным ремонтом, а иногда и вовсе без оного. Но источники воды сегодня принципиально отличаются от тех, которые были на момент проектирования работающих по сей день установок по очистке воды, и в первую очередь тем, что промышленность не стоит на месте, экологические проекты на заводах, сливающих свои стоки в поверхностные и подземные водоисточники, только-только начинают разрабатываться. А ни для кого не секрет, что достаточно стандартна ситуация, когда речная вода, в которую выше по течению были сброшены стоки какого-либо завода зачастую является источником питьевой воды для города или поселения, расположенного ниже по течению. То есть в исходной воде, предназначенной для питьевых нужд, появляются загрязняющие вещества, которые уже не могут быть удалены из воды традиционным отстаиванием и фильтрованием.

Результаты такой повышенной антропогенной нагрузки на водоисточники питьевой воды нашли прямое отражение в статистике как качества проб [1], не отвечающим требованиям питьевой воды, так и в статистике потерь народного хозяйства от низкого качества питьевой воды [2]. Исходя из данных приведенных в указанных докладах, около 30-35% централизованных источников поверхностного водоснабжения не отвечают Российским санитарным нормам и правилам по качеству воды, причем это количество с каждым годом медленно, но неуклонно растет. Более того, причиной недостаточного качества воды в примерно 40% случаев является отсутствие необходимого комплекса очистных сооружений.

Как отмечено в докладе Ю.А. Рахманина [1] академика РАН, РАЕН, ген. директора научно-исследовательского института экологии человека и гигиены окружающей среды  им. А.Н.Сысина,

·         в мире зарегистрировано ~150 000 химических веществ,

·         ежегодно появляется более 1000 соединений

·         в токсикологическом плане изучено около 15% из них

·         в 2011 г. воздействие отдельных химических веществ, находящихся в окружающей и производственной среде, обусловило в мировом масштабе 4,9 млн. случаев смерти (8,3% от общего числа) и 86 млн. лет жизни, утраченных в результате смертности и инвалидности

·         прогнозируется, что в период до 2050 г. рынок химических веществ будет ежегодно расти на 3%.

Такой рост количества загрязняющих веществ хорошо коррелируется с данными начальника отдела санитарного надзора Межрегионального управления Роспотребнадзора по Республике Крым и городу Севастополю И.А.Соколова [2]. Он указывает, что загрязнение водной среды, вызывающее падение качества питьевой воды, приводит к тому, что около трети всех экономических потерь от смертности и заболеваемости населения, ассоциированных с неблагоприятными факторами среды обитания, определяются низким качеством питьевой воды. Причем эти потери исчисляются десятками и сотнями миллиардов рублей.

Из изложенного выше очевидно, что существующая система приготовления питьевой воды в принципе не соответствует сложившимся экологическим условиям. Если не принять мер по изменению существующей ситуации с очисткой питьевой воды, и в первую очередь с поиском и применением новых технологий по удалению никогда ранее не существовавших веществ, в ближайшем будущем мы можем оказаться заложниками сложившейся ситуации и термин «здоровья нации» из некоей абстракции перейдет во вполне реальные больничные листы, дополнительные серьезные операции, повышении заболеваемости детей и т.п.

То есть поиск новых технических решений по очистке воды из области научных интересов стремительно перешел в область насущной необходимости.

Понимая сложившуюся ситуацию, мы предлагаем для решения сложившейся проблемы рассмотреть технологию ультрафильтрации для широкомасштабного внедрения ее при приготовлении питьевой воды.

Учитывая, что данная технология уже широко используется в промышленности для очистки воды от взвешенных и органических загрязнений, относительно просто оценить технические, технологические и экономические плюсы и минусы данной технологии по сравнению с традиционно применяемыми методами, такими как отстаивание и фильтрование. Далее в данной статье освещены основные принципиальные моменты технологии ультрафильтрации с точки зрения использования ее для питьевого водоснабжения и сравнение ее с традиционно применяемыми технологиями.

Традиционная технология приготовления питьевой воды

Истоки развития промышленного приготовления питьевой воды, включающей очистку от грубодисперсных примесей, начинаются от процесса отстаивания [3], [4]. Но если вода содержит коллоидные примеси (поверхностные водоисточники), то они за счет своей агрегативной устойчивости могут быть выделены из воды только процессом коагуляции. Осуществление процесса коагуляции производится в осветлителе (отстойнике), емкости снабженной специальными внутренними устройствами.

В питьевом водоснабжении чаще всего применяется наиболее простой вариант отстойников – горизонтальный. Этот вариант оборудования был наиболее дешев в изготовлении, но обладает самыми худшими техническими характеристиками из всей линейки возможных вариантов отстойников – осветлителей.

Вообще существует довольно серьезное количество альтернативных технических решений по оборудованию для отстаивания взвешенных веществ. Так, например, более технически эффективные осветлители с взвешенным слоем широко используются в энергетике (рис. 1).

Еще в СНиП 2.04.02-84 и пособии к нему уже была приведена методика расчета отстойника с взвешенным слоем, с тонкослойными элементами (ламелями), которые сегодня широко применяются во всем мире.

Давно изучен и рекомендован к использованию вариант  введения зародышей кристаллообразования в осветлитель – отстойник. Сегодня это наиболее технически эффективная технология, которая модифицировалась в оборудование под торговой маркой Актифло французской фирмы Веолия (рис.2) и подается как некое «Know How», хотя реально, это всего лишь качественно отработанная конструкция с применением давно известных технологических решений.

В любой из вышеперечисленных конструкций осветлителей можно выделить три зоны: смешения, контактирования и осветления. В зоне смешения производится перемешивание тангенциально подведенной воды, предварительно прошедшей воздухоотделительное устройство с реагентами. В зоне контактирования идет активное хлопьеобразование. Этот процесс образования, увеличения размеров хлопьев протекает на пути восходящего движения воды. Из зоны контактирования вода проходит в зону осветления, где собирается в специальные желоба. Из желобов обработанная вода отводится в баки осветленной воды [5]. Процесс образования хлопьев под действием реагентов называют коагуляцией.

Коагуляция – это физико-химический процесс слипания коллоидных частиц под действием сил межмолекулярного притяжения с образованием грубодисперсной макрофазы с последующим выделением ее из воды [6]. Процесс коагуляции идет совместно с процессом очистки от грубодисперсных примесей и обесцвечиванием воды под действием специально добавляемого реагента – коагулянта. В качестве коагулянтов служат реагенты, которые при диссоциации могут образовывать новую дисперсную систему со знаком заряда частиц, противоположным заряду коллоидных частиц. В качестве реагентов в основном используют сульфаты и хлориды алюминия или железа [7].

Образовавшийся в процессе гидролиза коагулянта гидроксид алюминия или железа под действием сил притяжения притягивает коллоидные частицы, образуя микрохлопья. Микрохлопья цепляются, увлекая с собой грубодисперсные примеси, и при этом образуют структуру в виде хлопьев размером 0,5-3,0 мм [6].

В ряде случаев процесс осаждения коагулированных примесей ускоряется дозированием флокулянта. Сущность процесса флокуляции состоит в адсорбции длинными цепочками молекул флокулянта мелких коагулированных частиц. В результате образуются крупные структуризированные хлопья, которые выделяются из воды и легко осаждаются.

Коагулированная вода нуждается в дальнейшем фильтровании, т.к. она содержит мелкие частицы не успевших сформироваться хлопьев. Коагулированную воду пропускают через напорные механические фильтры, загруженные гидроантрацитом или кварцевым песком. Для увеличения грязеемкости фильтров и степени очистки от взвешенных частиц могут применяться двухслойные загрузки фильтров из различных по фракционному составу фильтрующих материалов.

Качество воды после процесса коагуляции в осветлителе при t = 25°C и фильтрования через механические фильтры может достигать нижеследующих значений [5]:

-          прозрачность по «кольцу» > 300 см;

-          содержание взвешенных частиц < 3 мг/л;

-          остаточное содержание коагулянта (по Al3+ и Fe3+) < 0,2-0,3 мг/л;

-          снижение окисляемости 30-75 %;

Необходимо дополнительной отметить, что в некоторых случаях, в зависимости от качества обрабатываемой воды, коагуляция может идти с малой эффективностью, что приведет к образованию хлопьев малого размера, на осаждаемых в осветлителе и даже не задерживаемых фильтрами. В подобных случаях указанные выше показатели очистки воды могут не достигаться, что и мы видим часто на практике [1], [2].

Процесс коагуляции в осветлителе называют коагуляцией в объеме. Еще одним вариантов коагуляции является коагуляция на загрузке фильтров (напорная коагуляция). После этих фильтров необходимо использовать еще ступень фильтрования на механических фильтрах или использовать фильтры с двухслойной загрузкой. Скорость фильтрования в фильтрах должна быть ниже обычной в 2 раза, т.е. необходимое количество механических фильтров в случае контактной коагуляции будет в 2 раза больше [8].

Основные проблемы, с которыми встречается эксплуатационный персонал, при работе с традиционной системой подготовки питьевой воды это:

1)      сложность в поддержании режима, особенно в переходные паводковые периоды работы;

2)      периодические проскоки загрязнений на следующие ступени обработки воды или в обработанную воду;

3)      громоздкость и неудобство обслуживания оборудования;

4)      большое количество потребляемых реагентов.

Ультрафильтрация

Последние 20 лет в области осветления воды наиболее интенсивно развивается новое направление – мембранный метод очистки воды ультрафильтраци. Принцип ультрафильтрации основаны на фильтровании через поверхность мембраны, имеющей множество пор, размеры которых сопоставимы с размером удаляемых примесей. Ультрафильтрационная мембрана имеет размер пор 0,001-0,1 мкм.

Ультрафильтрация позволяет производить очистку от коллоидных и взвешенных веществ, а также от некоторых содержащихся в воде бактерий и вирусов [9].

Мембранная технология используется для очистки широкого спектра типов вод: от артезианских, содержащих минимальное количество загрязнений, до сильнозагрязненных муниципальных стоков. Современный рынок мембранных технологий предлагает широкий спектр различных типов модулей: рулонные, плоскорамные, половолоконные, трубчатые, керамические (рис. 3). В свою очередь эти типы модулей имеют дополнительные модификации, делающие проектирование мембранных установок наиболее технологически гибким при подходе к очистке любого типа водоисточников (рис. 4).

При использовании ультрафильтрационной очистки, так же как и для традиционной обработки, в поток обрабатываемой воды дозируется коагулянт. Но в отличие от коагуляции в осветлителе или напорной коагуляции, требуется значительно меньшая доза коагулянта (в 3-5 раз), т.к. для задержания скоагулированной частицы на поверхности мембраны не требуется доведение ее массы до величины, способной к осаждению. Задержанные на поверхности мембраны частицы приводят к постепенному увеличению сопротивления движению воды, и как следствие, снижению производительности мембранного модуля. Восстановление первоначальных характеристик работы модулей производится сменой режима работы на режим обратной промывки. Через патрубок фильтрата пропускают поток очищенной воды, в 2-5 раза превышающий поток исходной воды в режиме фильтрования, который смывает загрязнения с поверхности мембраны в течение короткого промежутка времени (около 1 минуты). При усиленных загрязнениях, связанных с адсорбцией веществ неорганического происхождения на поверхности мембраны и образованием биопленки, производится химически усиленная промывка с использованием реагентов. Химически усиленная промывка заключается в дозировании определенного реагента через линию фильтрата и замачивание мембранных поверхностей модуля в растворе реагента в течение 5-30 минут. Для этой промывки используются реагенты: гипохлорит натрия, щелочь, кислота. Выбор реагента зависит от характера загрязнений и доступности его приобретения.

В некоторых случаях используется дополнительная воздушная или водо-воздушная промывка для улучшения процесса очистки поверхности мембраны от загрязнений.

Необходимо отметить, что флокулянт для работы ультрафильтрационной установки не только не требуется, но и противопоказан.

Качество воды после ультрафильтрационной очистки представлено ниже [10], [11], [12], [13], [14], [15]:

- взвешенные вещества < 0,1 мг/л;

- органические соединения снижаются на 40-70%;

- коллоидный индекс (SDI) < 3;

- остаточное содержание алюминия и железа в фильтрате <0,05 мг/л;

- бактерии – степень очистки в 109 раз;

- вирусы – степень очистки в 106 раз.

Не смотря на свои видимые преимущества, ультрафильтрационная очистка имеет свой ряд недостатков, основные из них:

- потребность в дополнительных реагентах для химической промывки;

- необходимость грамотного инжиниринга и эксплуатации.

Ультрафильтрация сегодня является практически стандартом в качестве предочитски перед обессоливающими установками ее экономическая и техническая целесообразность не раз подтверждена расчетами для самых разных объектов и типов исходных вод.

В питьевом водоснабжении в Париже, Лондоне, Амстердаме, Сингапуре, в ряде городов США и Канады уже более 15 лет используется технология ультрафильтрации. В России из-за не самого благополучного финансового состояния отрасли не многие водоканалы проводят реконструкцию своих водопроводных станций, поэтому новыми установками мало кто может похвастаться, однако и у нас, в Москве на Юго-Западной водопроводной станции уже 10 лет работает установка ультрафильтрации производительностью 250 тыс. м3/сут.

 

Сравнение традиционной технологии подготовки воды и ультрафильтрации

В настоящий момент в области осветления воды эти две вышеописанные технологии очистки (коагуляция в осветлителе с дальнейшим механическим фильтрованием и мембранная очистка – ультрафильтрация) являются конкурирующими. Выбор того или иного способа очистки ограничивается технико-экономическими показателями, включающие эффективность работы установок, капитальные и эксплуатационные затраты.

Как было отмечено выше, одним из принципиальных отличий ультрафильтрации от традиционного осветления воды является существенно меньшая тонкость фильтрования. Так если для песчаного фильтра стандартная тонкость фильтрования – 100 мкм, а минимально чего можно теоретически добиться – 10 мкм, то у стандартной ультрафильтрации этот параметр составляет 0,01-0,03 мкм. То есть ультрафильтрация может задерживать частицы на четыре порядка меньше размером, чем стандартная технология отстаивания и фильтрования на механических фильтрах.

Подобное отличие приводит к нескольким положительным эффектам работы мембранной установки по сравнению с отстойниками и механическими фильтрами:

1.      существенно более высокая степень очистки;

2.      удаление веществ, не удаляемых на песчаных фильтрах, в том числе, достижение эффекта стерилизующего фильтрования;

3.      экономия реагентов.

По первым двум пунктам хорошо иллюстрирует качественное сравнение таблица 1. Данные в этой таблице по традиционной системе обработки воды взяты из доклада [1]. Как видно из таблицы те виды загрязнений, по которым традиционная технология либо умеренно очищает воду, либо вообще не очищает, ультрафильтрация снимает их с высокой степенью очистки.

 

Таблица 1

Эффективность очистки (традиционная технология/ ультрафильтрация)

Высокая/ Высокая

Умеренная/ Высокая

Отстуствие/ Умеренная

Отстуствие/ Отсутсвие

Ухудшение/ Отсутсвие

ОМЧ

Коли-индекс

Сальмонеллы

Яйца гельминтов

Цисты лямблий

Ооцисты криптоспоридий

Цветность

Мутность

Окисляемость

Железо

Марганец

Нефтепродукты

СПАВ

Вирусы

Колифаги

Клостридии (сульфитредуцирующие)

Тяжелые металлы

Радионуклиды

Алюминий

Солевой состав

Азотсодержащие соединения

Показатели коррозионной активности

Тригалометаны и другие галогенсодержащие углеводороды

Формальдегид

Мутагенная активность

 

Далее в таблице 2 приведены экспериментальные данные по сравнению традиционной (осветлитель и механические фильтры) и ультрафильтрационной установок. Данные приведены для исходной речной высокоцветной маломутной воды.

Таблица 2

Параметр

Исходная вода

Традиционная технология

Ультрафильтрация

Мутность, мг/л

2,7-4,2

0-031

0

Окисляемость, мгО2

12,8-16,4

3,6-4,0

3,7-4,0

Цветность, град

140-180

10

8

Доза коагулянта по Al2O3, мг/л

-

21-36

6-12

 

Основной задачей подбора режима работы ультрафильтрации, в описанном в таблице 2 случае, было получение воды примерно такого же качества по окисляемости, как на традиционной установке. Как видно из таблицы такого результата удалось достичь при снижении дозы коагулянта примерно в 3 раза при полном отказе от флокулянта. Подобные результаты были получены нами на примерно десятке разных типов вод на разных объектах.

Такая закономерность объясняется, по-видимому, тем, что из-за высокой тонкости фильтрования не требуется образования «хлопка» большого размера, и удаление органических веществ происходит при меньшей дозе коагулянта. Параллельно был проведен эксперимент по дозированию коагулянта с одинаковой дозой на обоих типах установок, в результате качество воды после ультрафильтрации по окисляемости и цветности была примерно в 2,5-3 раза выше, чем на традиционных осветлителях и механических фильтрах.

Кроме всего вышесказанного, существенным преимуществом ультрафильтрации является ее высокая заводская готовность при строительстве и, соответственно, относительно малый объем строительных работ. На рис.5 представлена проработка проекта примерно одинаковой производительности около 24 000 м3/сут на механических фильтрах и ультрафильтрации. Как видно площадь под ультрафильтрационную установку даже при сравнении только с механическими фильтрами в 2 раза меньше, а если еще добавить горизонтальный отстойник, то разница в габаритах увеличится до 75% (для ультрафильтрации требуется примерно в 4 раза меньше площади).

По стоимости оборудования многочисленные расчеты для промышленных установок показали, что при новом строительстве и использовании комплектующих и степени автоматизации одного класса, капитальные затраты на традиционную двухступенчатую установку чуть превышают затраты на ультрафильтрацию.

В таблице 3 сведены все затраты на установку осветления по традиционной технологии и ультрафильтрации в натуральных показателях. Из таблицы видно, что ультрафильтрация экономически более целесообразна для эксплуатации. Как уже говорилось выше, данное положение подтверждалось неоднократными технико-экономическими расчетами практически для всех промышленных объектов.

Таблица 3

Наименование

Традиционная технология

Ультрафильтрация

Капитальные затраты, условные ед.

1

≤1

Эксплуатационные затраты

   

Коагулянт, г/куб.м

30-90

10-30

Флокулянт, г/куб.м

1-5

0

Кислота, г/куб.м

0

0,5

Щелочь, г/куб.м

0

0,5

Эл.эн., кВт/куб.м

0,08

0,10

Вода, %

5-10

5-10

 

Выводы

В области водоподготовки наметилась тенденция перехода на новые более экономичные, экологичные и современные мембранные технологии очистки воды. То есть в ближайшем будущем можно прогнозировать вытеснение отстойников и механических фильтров ультрафильтрационными установками.

Эффективность ультрафильтрационной очистки по всем основным показателям выше традиционно используемой очистки в осветлителе (отстойнике) и механических фильтрах. В первую очередь очистка в осветлителе это – низкое качество обработанной воды, высокие трудозатраты на эксплуатацию оборудования и высокие эксплуатационные расходы на реагенты. Кроме того, площадь, занимаемая осветлителем и механическими фильтрами, значительно больше площади, занимаемой установкой ультрафильтрации той же производительности. А высокая заводская готовность ультрафильтрационных установок существенно снижает затраты и длительность СМР.

Учитывая, что в области мембранных технологий последние несколько десятилетий постоянно разрабатываются новые, все более совершенные мембраны и элементы, усовершенствуется технология, снижаются собственные нужды и требования к качеству исходной воды с одновременным повышением качества обработанной воды, а в традиционной технологии принципиального развития нет и не предвидится, можно с уверенностью говорить о том, что ультрафильтрация – это будущее питьевого водоснабжения всего мира, и, надеемся, России.

 

Литература

1. Академик РАН, РАЕН Ю.А.Рахманин, Актуализация проблем водообеспечения и пути их решения для повышения качества жизни россиян, III Всероссийский съезд водоканалов, Алушта, республика Крым 22-24.04.2015.

2. Начальник отдела санитарного надзора Межрегионального управления Роспотребнадзора по Республике Крым  и городу Севастополю И.А.Соколов, Состояние питьевой воды в Российской Федерации и ее влияние на здоровье населения, III Всероссийский съезд водоканалов, Алушта, республика Крым 22-24.04.2015.

3. Л. А. Кульский. Основы химии и технологии воды. – Киев: Изд-во Наукова думка, 1991. – 568 с.

4. Б. Н. Фрог. Водоподготовка. – Москва. Изд-во МГУ, 1996 г. 680 с; 178 ил. Издание 2.

5. Н. А. Мещерский. Эксплуатация водоподготовительных установок электростанций высокого давления. –  2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 408 с., ил.

6. A. C. Копылов, В.М. Лавыгин, В. Ф. Очков. Водоподготовка в энергетике. Москва. Изд-во МЭИ, 2003. -310 с.: ил.

7. В.Л. Драгинский, Л. П. Алексеева, С.В. Гетманцев. Коагуляция в технологии очистки природных вод. – Москва. Науч. изд. 2005. – 576 с

8. Кострикин Ю.М., Мещерский Н.А., Коровина О.В. Водоподготовка и водный режим энергообъектов низкого и среднего давления – Москва. Издательство: Энергоатомиздат , 1990 г. – 254 с., ил.

9. М. Мулдер. Введение в мембранную технологию. – Москва. Изд-во Мир, 1999. – 513 с., ил.

10. В.А. Кишневский. Современные методы обработки воды в энергетике. – Одесса: ОГПУ, 1999. – 196 с., ил.

11. www.kochmembrane.com

12. www.membranes.com

13. www.inge.ag

14. www.norit.com

15. www.dow.com

 

 

 

                    

а)                                                                                                                                             б)

 

Рис. 1. Осветлители

а) осветлитель типа ВТИ; б) осветлитель типа ЦНИИ

 


а)                                                                                                                                             б)

 

 

Рис. 2. Осветлители

а) осветлитель типа Актифло; б) относительная компактность разных типов осветлителей.

 

 

 

 

 

      

    а                                               б                                          в                        

 

                 г                                                    д

Рис. 3. Типы мембранных модулей: а – половолоконные; б – трубчатые;
в – дискотрубчатые; г – керамические трубчатые; д – рулонные

 

 

Рис. 4. Ультрафильтрационные установки. Внешний вид.

 

а)                                                                                                                                                                                                                                                                                          б)

Рис. 5 Сравнение габаритных размеров традиционной установки механического фильтрования(а) и ультрафильтрации(б) производительностью 24 000 м3/сут. Примерные габариты традиционной установки: Механические Фильтры 18*42 м + Осветлители 18*54 м. Общая площадь 1730 кв.м. Примерные габариты ультрафильтрации 9*42 м. Общая площадь 380 кв.м

 

 
 
 

О компании Для инвесторов Нефтедобыча Нефтепереработка Газификация и пиролиз Спиртовая промышленность Водоподготовка и очистка сточных вод Продукция Услуги Выполненные проекты Статьи