Содержание к диссертации
Введение
Глава. 1. Современное состояние проблемы получения питьевой воды методом ультрафильтрации 13
1.1. Общие положения 13
1.2. Сущность и описание процесса ультрафильтрации 16
1.3. Материалы для изготовления ультрафильтрационных мембран 18
1.4. Конструкции ультрафильтрационных аппаратов 21
1.5. Сравнение различных режимов работы ультрафильтрационных аппаратов 25
1.6. Проблемы загрязнения ультрафильтрационных мембран 30
1.6.1. Виды загрязнений, образующихся на ультрафильтрационных мембранах при обработке природных вод 30
1.6.2. Влияние биологического фактора на загрязнение мембран 32
1.6.3. Методы борьбы с загрязнением мембран 34
1.7. Технологические схемы очистки воды с применением ультрафильтрационных мембран 36
1.7.1. Технологические схемы очистки воды из поверхностных источников методом ультрафильтрации 36
1.7.2. Применение ультрафильтрации для обеззараживания воды 43
1.7.3. Применение ультрафильтрации в качестве предочистки перед обратным осмосом 44
1.7.4. Установки для ультрафильтрации 47
1.8. Выводы по главе 1 53
Глава 2. Теоретическое и экспериментальное изучение образования осадков коллоидных частиц на ультрафильтрационных мембранах 55
2.1. Постановка задачи исследований 55
2.2. Теоретические представления о механизме загрязнения ультрафильтрационных мембран при обработке природных вод 56
2.3. Обзор литературы по моделированию падения производительности ультрафильтрационных мембран в течение фильтроцикла 59
2.3.1. Введение в теорию фильтрования 59
2.3.2. Механизмы загрязнения микро- и ультрафильтрационных мембран при обработке природных вод 62
2.3.3. Модели, описывающие начальную стадию загрязнения мембран 64
2.3.4. Фильтрование с образованием осадка 67
2.3.5. Гель-поляризационная модель падения производительности 69
2.4. Экспериментальные исследования процесса загрязнения ультрафильтрационных мембран при очистке природных вод 71
2.4.1. Изучение процесса загрязнения мембран коллоидными и взвешенными веществами 71
2.4.2. Изучение процессов сорбции на ультрафильтрационных мембранах при обработке природных вод 79
2.5. Разработка модели загрязнения ультрафильтрационных мембран 86
2.6. Выводы по главе 2 91
Глава 3. Оптимизация работы ультрафильтрационных установок очистки природных вод 93
3.1. Обзор литературы по эксплуатации ультрафильтрационных установок очистки воды 93
3.1.1. Моделирование процесса промывки мембран обратным током 93
3.1.2. Методы прогнозирования работы и подбора параметров эксплуатации ультрафильтрационной установки 101
3.2. Экспериментальное изучение механизма обратной промывки 103
3.2.1. Эксперименты по оптимизации процесса ультрафильтрации 103
3.2.2. Эксперименты по определению эффективности обратной промывки 107
3.3. Разработка модели падения производительности ультрафильтрационных аппаратов с течением времени 117
3.4. Алгоритм расчета падения производительности ультрафильтрационной установки в процессе эксплуатации 123
3.5. Разработка экспресс-методики определения эксплуатационных параметров работы ультрафильтрационной установки 127
3.5.1. Экспресс-методика 127
3.5.2. Определение постоянных фильтрования 131
3.5.3. Определение эффективности обратной промывки 134
3.5.4. Влияние биологического фактора на загрязнение мембран 137
3.6. Выводы по главе 3 142
Глава 4. Внедрение результатов исследований. Разработка и эксплуатация установок очистки природных вод методом ультрафильтрации 144
4.1. Обработка воды, содержащей природные органические вещества, с помощью ультрафильтрации 144
4.1.1. Характеристика органических веществ, содержащихся в природной воде 144
4.1.2. Задержание природных органических примесей ультрафильтрационными мембранами 146
4.1.3. Экспериментальное изучение возможностей метода ультрафильтрации для получения питьевой воды из поверхностных источников 149
4.1.4. Разработка установок для очистки поверхностных вод 156
4.1.5. Разработка установок для производственного водоснабжения, автономного водоснабжения отдельных зданий и улучшения качества воды в точках водоразбора 162
4.2. Обработка подземных вод с помощью ультрафильтрации 167
4.2.1. Общие сведения о содержании железа в подземных водах 167
4.2.2. Теоретические закономерности окисления железа в свободном объеме 168
4.2.3. Методы обезжелезивания воды и современные установки обезжелезивания подземных вод малой и средней производительности 171
4.2.4. Экспериментальное изучение процесса обезжелезивания с помощью ультрафильтрации 177
4.2.5. Разработка технологии обезжелезивания воды с использованием мембранной ультрафильтрации 180
4.2.5.1. Рекомендации по применению ультрафильтрационного метода обезжелезивания подземных вод 180
4.2.5.2. Установки обезжелезивания подземной воды на основе метода ультрафильтрации 182
4.2.5.3. Схема автоматизации установок обезжелезивания воды (на примере установки обезжелезивания минеральной воды «Московская») 185
4.3. Технико-экономическое сравнение вновь разработанных ультрафильтрационных установок с уже существующими 190
4.3.1. Установки для очистки поверхностных вод 190
4.3.2. Установки для обезжелезивания подземных вод 194
4.4. Выводы по главе 4 198
Общие выводы 200
Список литературы 203
Приложения 222
- Сравнение различных режимов работы ультрафильтрационных аппаратов
- Обзор литературы по моделированию падения производительности ультрафильтрационных мембран в течение фильтроцикла
- Разработка модели падения производительности ультрафильтрационных аппаратов с течением времени
- Методы обезжелезивания воды и современные установки обезжелезивания подземных вод малой и средней производительности
Введение к работе
Мембранные способы разделения находят все более широкое применение как высокотехнологичный процесс для подготовки питьевой, технической и особо чистой воды. Среди них технология мембранной ультрафильтрации в настоящее время переживает настоящий подъем, являясь самой «молодой» технологией с точки зрения ее применения для водоподготовки [1—3]. За последнее десятилетие суммарная производительность станций ультрафильтрации в странах Западной Европы и в США выросла в 100 раз. Во всем мире более 2 млн. м /сут питьевой воды получают с использованием ультрафильтрационных мембран.
Возросший интерес к технологии ультрафильтрации вызван рядом причин и, в первую очередь, поиском новых методов очистки, позволяющих получать питьевую воду высокого качества, отвечающую современным нормативным требованиям. Активное строительство ультрафильтрационных станций для водоснабжения населенных пунктов Великобритании, Германии и США инициировано введением в этих странах новых, более жестких, санитарных норм по микробиологическим показателям. Повышение нормативных требований к качеству питьевой воды вызвано деградацией качества воды во многих поверхностных и подземных источниках.
В настоящее время в мире накоплен большой опыт производства полупроницаемых мембран и эксплуатации систем очистки на их основе, что вместе с научными достижениями ушедшего века подготовило почву для появления нового поколения технологически более тонких процессов очистки воды. К таким процессам относится и ультрафильтрационный метод, позволяющий создавать на его основе компактные, полностью автоматизированные установки, простые и удобные в эксплуатации.
Ультрафильтрация - мембранный процесс, занимающий по своим селективным характеристикам промежуточное положение между нанофилырацией и микрофильтрацией. Ультрафильтрационные мембраны
эффективно извлекают из воды тонкодисперсные и коллоидные примеси, высокомолекулярные вещества, водоросли, одноклеточные микроорганизмы, цисты, бактерии и вирусы. Но при этом они практически не задерживают растворенные в воде соли, что позволяет сохранить естественный солевой состав природной воды. Особенность технологии мембранной ультрафильтрации заключается в том, что задержанные на поверхности мембраны загрязнения удаляются с помощью гидравлических промывок. Высокий уровень очистки, достигаемый с помощью ультрафильтрации, позволяет рассматривать этот метод как альтернативу традиционным процессам осветления, фильтрования и обеззараживания.
С 2002 года вступил в силу СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода», отвечающий рекомендациям Всемирной Организации Здравоохранения. Сегодня требования, предъявляемые к качеству питьевой воды, дополнены рядом новых биологических показателей (клострдии, цисты патогенных микроорганизмов, колифаги), расширен ПДК на ряд токсичных органических соединений, введено ограничение общего содержания органических веществ по показателю перманганатной окисляемости (не более 5мг02/л).
Базовой схемой очистки воды из поверхностных источников является классическая двухступенчатая схема с использованием коагуляции, отстаивания, фильтрования и обеззараживания воды хлором. Существующая схема имеет ряд недостатков: в зимний период коагуляция идет медленно, в очищенной воде наблюдается увеличение содержания остаточного алюминия, а также повышенная цветность и мутность [4]. При обработке маломутных цветных вод отстойники не всегда работают удовлетворительно, и основная нагрузка приходится на фильтры. Для улучшения качества очистки воды от органических соединений, запахов и привкусов схема дополняется озонированием, предварительным хлорированием, сорбционной обработкой с применением активного угля [5-7].
Применение ультрафильтрации позволяет отказаться от таких технологических процессов, как отстаивание и фильтрование. С ее помощью можно добиться улучшения степени осветления воды без увеличения дозы коагулянта, а в ряде случаев - достичь снижения мутности, цветности и окисляемости без использования реагентов.
При использовании артезианских источников для снабжения населения питьевой водой одной из основных задач является их обезжелезивание, так как большинство подземных вод Российской Федерации содержит железо в повышенных концентрациях. Эта проблема особенно актуальна для городского и малоэтажного строительства в Московской области. Преимущество мембраной технологии заключается в том, что ультрафильтрационные мембраны могут задерживать самые мелкие частицы коллоидного железа, поэтому для проведения процесса обезжелезивания достаточно упрощенной аэрации воды. Мембраны могут эффективно работать при любом содержании взвешенных веществ и железа в исходной воде и позволяют одновременно с осветлением обеззараживать воду, что расширяет область их применения в сфере очистки подземных вод.
Наконец, состояние городских водопроводных сетей часто вызывает необходимость доочистки воды, поступающей из городского водопровода, в особенности для объектов с повышенными требованиями к качеству питьевой воды (больницы, предприятия общественного питания, детские учреждения).
Сегодня во всем мире ультрафильтрация как метод очистки и предочистки для получения питьевой и технической воды уже не вызывает сомнений в своей эффективности и конкурентоспособности. Множество зарубежных компаний производят самые различные мембраны, мембранные модули и установки очистки воды на их основе. В нашей стране мембранная ультрафильтрация практически не используется для получения питьевой воды. Развитие мембранной технологии в России сдерживается недостатком практических и теоретических исследований в области применения
ультрафильтрации для очистки природных вод, малой информированностью и, следовательно, слабым интересом потребителей к данному методу очистки. Следствием этого является отсутствие широкого производства отечественных ультрафильтрационных мембран и мембранных элементов.
Несмотря на интенсивное развитие ультрафильтрационной технологии за рубежом, многие вопросы все еще остаются недостаточно изученными. В частности, не существует единого мнения о наилучшем типе мембран для обработки природных вод: для этой цели используются как капиллярные, так и плоские (рулонные элементы) мембраны. Отсутствуют четкие критерии, по которым можно оценить необходимость и целесообразность предочистки, обработки воды коагулянтами и окислителями перед подачей на мембранную установку, а также рекомендации по выбору оптимального размера пор мембран и дозы коагулянта. В настоящий момент не разработана теория оптимизации работы ультрафильтрационной установки очистки воды с учетом падения ее производительности с течением времени и эффективности гидравлических промывок, а также надежной экспериментальной методики определения параметров работы установки на воде заданного состава.
Наконец, в силу своей природы ультрафильтрационные мембраны подвержены загрязнению органическими и неорганическими веществами, содержащимися в природных водах, а также биологическому обрастанию. Неконтролируемый процесс накопления таких осадков при неправильной эксплуатации установки может быстро привести к необратимому ухудшению характеристик мембранных аппаратов и выходу их из строя.
Поэтому целью настоящей работы стало изучение механизмов, гфоисходящих на поверхности мембран при обработке природных вод, и научное обоснование принципов выбора такого режима эксплуатации, который обеспечивал бы эффективное и своевременное удаление осадков с поверхности мембран посредством обратных промывок. На основании полученных опытных данных автором ставилось целью научно обосновать возможность получения питьевой воды из поверхностных и подземных
источников с помощью мембранного метода ультрафильтрации, разработать методику определения эксплуатационных параметров и прогнозирования работы ультрафильтрационной установки в зависимости от состава исходной воды.
Цель проведенных исследований - дать научно обоснованный подход к новой технологии, которая на протяжении многих лет завоевывает все более прочные позиции в сфере подготовки питьевой и технической воды.
Научная новизна работы. Предложена собственная модель прогнозирования падения производительности ультрафильтрационных мембран, вследствие их загрязнения коллоидными, органическими и биологическими осадками, учитывающая постепенное накопление загрязнений, не удаляемых обратными промывками.
Научно обосновано применение ультрафильтрации для получения питьевой воды из поверхностных и подземных источников на основе оценки работоспособности мембран для различных видов исходной воды.
Разработана экспериментальная методика, позволяющая в течение короткого времени определить оптимальный режим эксплуатации (рабочие давления, частоту и продолжительность обратной промывки) ультрафильтрационной установки очистки воды, дать прогноз ее работы в течение заданного времени и выбрать технологическую схему установки и тип мембран в зависимости от качества воды и типа водоисточника.
Практическая ценность работы. Разработана методика расчета параметров работы ультрафильтрационной установки, которая дает возможность избежать преждевременного загрязнения мембран и выхода их из строя.
На основе исследований, проведенных на лабораторных и промышленных установках, предложены рекомендации по выбору типа мембран и технологической схемы установки, позволяющие добиться лучшего качества питьевой воды с наименьшим потреблением реагентов.
Данные, полученные в ходе эксплуатации пилотной ультрафильтрационной установки обезжелезивания подземной воды, позволяют подобрать
наиболее оптимальные режим аэрации и тип мембран для разных составов подземной воды и содержания железа.
Научно обоснован способ очистки подземных и поверхностных вод с помощью ультрафильтрации и разработаны конструкции установок, значительно сокращающие себестоимость воды по сравнению с традиционными сооружениями, использующими коагуляцию, отстаивание и фильтрование. Экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии на малых объектах (с водопотреблением 100-200 м3/сутки) составляет около 80 тысяч рублей в год.
Апробация работы. Результаты и основные положения работы были доложены на следующих конференциях:
Международный научно-практический семинар «Мембранные технологии очистки природных и сточных вод на службе человека в XXI веке». Москва, 26-27 марта 2003 г.
Европейская конференция «Обессоливание и окружающая среда: чистая вода для всех». Мальта, 4-8 мая 2003 г.
Первая международная (VI межвузовская) научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство -формирование среды жизнедеятельности». Москва, 21-22 мая 2003 г.
Конференция «Мембранные беседы - 2003». Дубна, 16-19 июня, 2003 г.
Региональный семинар «Технологии водоподготовки и очистки сточных вод на объектах энергетики». Новосибирск, 24-26 сентября 2003 г.
Основные положения работы изложены в работе «Решение проблем питьевого водоснабжения населения с помощью мембранных установок», получившей второе место на Открытом конкурсе на соискание премии молодым ученым и специалистам в области техники по направлению «Водоснабжение и водоотведение», проводимом ГУЛ «Мосводоканал-НИИпроект» в 2002 году.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Сравнение различных режимов работы ультрафильтрационных аппаратов
Процесс мембранного фильтрования состоит в том, что жидкость под давлением «продавливается» через полупроницаемую перегородку. При этом, в зависимости от размера отверстий в этой перегородке, через нее может проходить вода, растворенные неорганические (одно- и многовалентные ионы) и органические соединения, микрочастицы. Размер пор ультрафильтрационных мембран лежит в пределах от 1 нм (верхний предел для нанофилырационных мембран) до 0,05 - 0,1 мкм. Мембраны с размером пор более 0,1 мкм называются микрофильтрационными. Главное отличие мембраной фильтрации от обычного объемного фильтрования заключается в том, что подавляющее большинство всех задерживаемых веществ накапливается на поверхности мембраны, образуя дополнительный фильтрующий слой осадка, который обладает своим сопротивлением. Для микрофильтрации, например, сопротивление осадка может быть значительно больше сопротивления мембраны.
Таким образом, важной задачей становится осуществление контроля и управление процессом накопления загрязнений на мембранах. Решение этой задачи заключается, во-первых, в создании такого режима работы мембранных аппаратов, при котором загрязнение мембран было бы минимальным, а во-вторых, в выборе подходящего материала мембраны, который был бы наименее чувствителен к загрязнениям, характерным для данного состава исходной воды. Кроме того, сама конструкция мембранного элемента должна позволять проводить гидравлические промывки мембраны с максимальной эффективностью.
Для борьбы с ростом осадка над поверхностью мембраны создают дополнительный поток из обрабатываемой жидкости, который размывает накапливающийся осадок. Жидкость (концентрат), 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 чаще, чем промывки обычных фильтров с зернистой загрузкой: для ультрафильтрационных мембран, предназначенных для очистки поверхностных вод, их частота колеблется от 1 до 4 раз в час, при этом продолжительность промывки составляет всего 10-60 секунд, поэтому объем сбрасываемой воды не превышает 5% от объема фильтрата.
Возможность использования ультрафильтрации для получения питьевой воды из поверхностных источников в первую очередь зависит от селективных свойств используемых ультрафильтрационных мембран и их склонностью к загрязнению веществами, содержащимися в природной воде. Наибольший интерес для исследования в этом отношении представляют растворенные и коллоидные органические соединения, которые всегда присутствуют в поверхностных водах и определяют их цветность и окисляемость.
Для мембранной очистки наиболее важными являются следующие свойства органических соединений: природа их образования, гидрофильность, заряд в водных растворах, распределение по молярному весу. Кроме того, необходимо учитывать водородный показатель, общее солесодержание и жесткость воды. Эти показатели качества природных вод вместе со свойствами органических веществ оказывают существенное влияние на селективные свойства и загрязнение мембран.
Обзор литературы по моделированию падения производительности ультрафильтрационных мембран в течение фильтроцикла
Для описания падения производительности ультрафильтрационных мембран в течение фильтроцикла за основу была взята модель, разработанная Э. Сиднеем с соавторами. Процесс фильтрования разделяется на две стадии - стадию закупоривания пор и стадию образования осадка. В процессе закупоривания пор поток через мембрану будет складываться из потока через отрытые поры и потока через закупоренные поры (предполагается, что происходит частичное перекрытие пор мембраны задерживаемыми частицами загрязнений.
Скорость закупорки пор (т. е. скорость уменьшения поверхности с открытыми порами) пропорциональна потоку фильтрата через еще открытые поры и концентрации суспензии, вызывающей закупоривание пор и отложение осадка на мембране: В области с уже закупоренными порами (Азак) начинает образовываться осадок. Осадок представляется как пористая среда, оказывающая сопротивление ламинарному потоку жидкости по закону Дарси
Вид фильтрования на начальной стадии будет зависеть от соотношения размеров задерживаемых частиц и пор мембраны. Следовательно, на крупнопористых мембранах при разделении растворов коллоидных частиц будет происходить фильтрование с постепенным закупориванием пор, а на мембранах с более мелкими порами - фильтрование с полным закупориванием пор. В условиях, благоприятных для развития процесса полной закупорки пор, мембраны оказываются очень чувствительными к наличию в воде даже мизерных количеств коллоидных и взвешенных веществ. Как замечено, даже предварительно отфильтрованная дистиллированная вода может вызывать значительное падение производительности. В случае, когда размеры частиц значительно превышают размеры пор мембраны, фильтрование сразу идет с образованием слоя осадка на мембране. Пример такого вида фильтрования - образование осадков гидроокиси железа и глинистых частиц на поверхности обратноосмотических мембран. Возможные варианты развития событий при фильтрации дисперсных частиц при различных соотношениях размера частиц и пор мембраны подробно описаны в главе, посвященной динамическим мембранам.Сложность экспериментального определения вида фильтрования состоит в том, что продолжительность этой переходной стадии невелика, при этом одновременно образуются разные типы поровых осадков: как с закупоркой одной поры одной частицей, так и с перекрытием нескольких пор одной или несколькими частицами, а для более крупнопористых мембран - с образованием осадка внутри пор. Следует также учитывать, что частицы загрязнений и поры мембран имеют неправильную форму и, следовательно, при забивании поры мембраны такой частицей расход жидкости через закрытую пору не будет равен нулю, как следует из классической модели полного закупоривания пор. Модель, разработанная Э. Сиднеем [148], в достаточной мере отражает вышеописанные особенности реальных процессов, происходящих при мембранной фильтрации жидкостей.
Природная вода - это сложная смесь частиц различной степени дисперсности: от молекул гуминовых кислот до глинистых частичек, поэтому в ней всегда будут присутствовать частицы, соизмеримые с порами ультрафильтрационных мембран. Следовательно, полностью избежать стадии закупоривания пор путем подбора размера пор мембраны невозможно.
Если вид начальной стадии фильтрования в основном определяется соотношением размеров частиц и пор мембраны, то скорость его протекания будет зависеть еще и от концентрации суспензии и потока воды через мембрану. Эта зависимость учитывается коэффициентом а, то есть скорость протекания стадии закупоривания пор прямо пропорциональна начальному потоку через мембрану и концентрации взвешенных веществ в исходной воде.
Величина R3 зависит от соотношения размеров содержащихся в обрабатываемой воде частиц и пор мембраны и увеличивается для более тонкопористых мембран. Вопреки кажущемуся представлению, что при микрофильтрации процесс забивания пор носит наиболее драматический характер, изучение величин R3 показывает, что для ультрафильтрации абсолютные значения этой величины больше, несмотря на то, что относительное падение производительности в течение стадии закупоривания пор намного меньше.Понятно, что величина R3 определяется сопротивлением мембраны и возрастает с его увеличением [128]. Очевидно также, что при фильтрации воды, содержащей примеси, размер частиц которых намного больше размера пор мембран (мелкодисперсный порошок активного угля), падение производительности на начальной стадии будет незначительным, так как закупоривания пор не будет происходить.
Как было показано выше (см. рис. 2.3), кривые фильтрования, построенные в координатах t - t/q, дают прямолинейный участок, который не описывается никакими известными зависимостями. Этот участок может быть параллелен оси абсцисс и соответствует периоду предварительного накопления осадка на мембране. Продолжительность периода (протяженность прямолинейного участка) увеличивается с возрастанием сопротивления мембраны и уменьшением концентрации взвешенных веществ в обрабатываемой воде. Для ультрафильтрационных мембран при фильтровании природных вод длительность этого «переходного» периода может достигать нескольких часов, и количество профильтрованной воды, соответствующее этому периоду, может составлять значительную долю от объема фильтрата, полученного в течение фильтроцикла. Поэтому необходимо учитывать длину этого участка для более точного прогноза падения производительности и расчета объема полученного фильтрата. Обладая этими сведениями, можно прогнозировать характер падения производительности различных типов ультрафильтрационных мембран при обработке вод того или иного состава, а также для каждого конкретного случая подбирать такие марки мембран, которые обладали бы меньшей склонностью к загрязнению.
Разработка модели падения производительности ультрафильтрационных аппаратов с течением времени
В процессе удаления загрязнений при обратной промывке происходят следующие процессы: разрушение осадка на поверхности и внутри пор мембраны; раскупоривание пор в результате механической деформации селективного слоя под воздействием обратного давления; смыв осадка с турбулизаторной сетки и вынос его из напорного тракта мембранного аппарата. Все эти процессы протекают одновременно; при этом раскупорка пор, вероятно, происходит наиболее быстро в первые моменты промывки, так как наблюдаемый расход промывной воды сразу стабилизируется и в дальнейшем практически не изменяется.
Наиболее важным процессом является удаление осадка с поверхности мембраны. Эффективность промывки зависит от следующих факторов: количества осадка на мембране, скорости потока промывной воды через мембрану, свойств осадка, соотношения сопротивления осадка и мембраны. Более рыхлые осадки легко разрушаются тангенциальным потоком воды, однако вследствие низкого удельного сопротивления они практически не создают существенного препятствия потоку воды при обратной промывке. Как показывает практика, при прямой промывке рулонных элементов (тангенциальным потоком жидкости) из них удаляется значительное количество загрязнений, оставшееся после обратных промывок.
Поток через мембрану зависит от приложенного давления и сопротивления мембраны и должен возрастать по мере освобождения мембраны от загрязнений. Однако на практике [171] это зафиксировать не удалось. Поэтому решено было исходить из допущения, что поток промывной воды зависит только от давления и сопротивления чистой мембраны, то есть остается неизменным во времени.
Неполное открытие пор при обратной промывке можно выразить через изменение сопротивления R3, которое при полном раскрытии всех пор должно равняться нулю. Степень раскрытия пор будет зависеть от соотношения давления промывки и фильтрования [172], поэтому можно записать: где кзак - коэффициент, учитывающий влияние давления обратной промывки на степень раскупоривания пор и определяемый экспериментально.
В зависимости от плотности осадка регенерация мембраны может происходить следующим образом: 1) При образовании на мембране рыхлых осадков с малым удельным сопротивлением (сопротивление слоя осадка меньше сопротивления мембраны), происходит фильтрация промывной воды через слой осадка, сопровождающаяся интенсивным выносом отдельных частиц и целых агрегатов. По мере удаления загрязнений скорость выноса осадка будет снижаться, так как в конце промывки останется та часть загрязнений, силы сцепления которой с мембраной и турбулизатором наибольшие; 2) В случае образования плотных осадков, например глинистых, сопротивление которых сравнимо с сопротивлением мембраны, в слое осадка при промывке возникает значительный перепад давления. Поэтому здесь более вероятен отрыв отдельных пластов осадка от поверхности мембраны и их вынос потоком воды. По мере отмывки мембраны происходит распределение потоков промывной воды: основные потоки воды будут устремляться через размытые области (то есть области с меньшим сопротивлением), свободные от осадка. Поток через загрязненные участки пропорционально уменьшается, скорость удаления осадка замедляется.
При большой удельной производительности мембран в распределительной дренажной системе рулонных элементов будут возникать значительные потери напора, которые будут влиять на распределение промывной воды по длине «пакетов». Это приводит к тому, что разные участки мембраны в «пакетах» будут находиться в неравных условиях, - наиболее удаленные от трубки сбора фильтрата участки будут промываться хуже. При последующих промывках эти участки, вследствие оставшихся на них загрязнений, уже изначально будут находиться в еще более худших условиях, и в этих областях будет наблюдаться постепенное накопление осадка. Это вызовет уменьшение эффективной площади фильтрования и, как следствие, падение производительности мембранного элемента. Для предотвращения описанного явления при изготовлении рулонных элементов, предназначенных для работы с обратной промывкой, длину мембранных «пакетов» уменьшают, а их общее число в рулонном элементе увеличивают, добиваясь более равномерного распределения потоков воды при обратной промывке.
Методы обезжелезивания воды и современные установки обезжелезивания подземных вод малой и средней производительности
В настоящее время известно множество методов обезжелезивания воды и технологических схем их реализации. Достаточно полное представление о них дает классификация, предложенная Г.И. Николадзе (таблица 4.4).
Методы обезжелезивания традиционно разделяются на безреагентные и реагентные. Безреагентное обезжелезивание воды возможно при величине окислительно-восстановительного потенциала Е ОД В, окисляемости воды меньше 9,5 мгОг/л и щелочности Щ 1,35 мг-экв/л. При других показателях качества исходной воды следует применять реагентные методы.
В настоящее время имеется ряд эффективных способов удаления из подземных вод железа, находящегося в бикарбонатной форме - метод упрощенной аэрации и фильтрования, метод «сухой» фильтрации. Увеличение концентрации железа в воде свыше 15-20 мг/л приводит к усложнению технологической схемы. Значительные трудности возникают при обезжеле-зивании вод с низким щелочным резервом, в которых железо содержится в виде комплексных органических соединений. Рекомендуемые для подобных вод технологические схемы (двухступенчатое фильтрование с глубокой аэрацией на вакуумно-эжекционном аппарате или двойной аэрацией; известкование с коагулированием, напорная флотация и фильтрование; аэрация, известкование с коагулированием, отстаивание в тонком слое и фильтрование) требуют больших капитальных затрат и сложны в эксплуатации.
Обычная станция обезжелезивания работает, как правило, в режиме глубокой или (реже) упрощенной аэрации. Аэрация осуществляется на градирнях, вакуумно-эжекционных аппаратах или с помощью компрессоров (в безнапорном варианте - излив воды в карман фильтра). Затем вода подается на песчаные напорные и безнапорные фильтры (одно- или двухступенчатые), при высоком содержании железа дополнительно перед фильтрами ставят осветлители со слоем взвешенного осадка. Осадок гидроокиси железа характеризуется повышенной размываемостью, кроме того осветлители требуют предварительной зарядки. Так как подземная вода имеет низкую температуру, то хлопья осадка образуются медленно, для интенсификации процесса коагуляции требуется подщелачивание. Грязеемкость фильтров при использовании глубокой аэрации невысокая. Нарушение процесса эксплуатации приводит к выносу хлопьев гидроокиси железа из осветлителей и проскоку железа в фильтрат.
Технология обезжелезивания на основе аэрации и фильтрования на зернистых фильтрах использована в установках, вьгаускаемых компаниями «Экоцентр», «Гидровел», «Сорбент». В этих установках воздух нагнетается в воду с помощью мини-компрессора, затем вода проходит через аэрационное устройство и поступает на фильтр с зернистой загрузкой. Аэрация эжектированием применяется в системах, производимых НЛП «Экотехника» и фирмой «Тензор». Безреагентная схема обезжелезивания применяется также в установках, выпускаемых Тамбовским заводом «Комсомолец», ООО «Комплект Экология», ООО «Вода Отечества» и ПФК «Механик». Наибольшее распространение получили установки «Деферрит» (НИИ КВОВ) - рис. 4.11.
В небольших установках (производительностью до 1 - 2 м3/ч) широко используется метод фильтрования через модифицированную загрузку, в качестве которой используют дробленый пиролюзит, «ВШМ», омарганцо-ванный песок («Greensand») и др. Последний способ обезжелезивания конструктивно прост и эффективен, но требует значительного расхода дорогостоящих реагентов, что делает его неэкономичным, особенно при высоком содержании железа в исходной воде. Кроме того, при эксплуатации фильтров с омарганцованной загрузкой возможно попадание соединений марганца в очищенную воду.
Несмотря на широкое использование микро- и ультрафильтрации для подготовки питьевой и технической воды, сообщений об использовании этих методов для очистки подземной воды от железа очень немного. Ультрафильтрационные мембраны при обработке поверхностных вод эффективно задерживают коллоидное железо (до 99% и более). В [203] сообщается о первом опыте по использованию в США ультрафильтрационных мембран для очистки подземных вод от железа и марганца. Для оборудования станции производительностью 16000 м /сутки использовались погруженные половолоконные мембранные модули фирмы "ZENON" с размером пор ОД мкм. В качестве окислителей использовались перманганат калия и гипохлорит натрия, степень очистки по железу и марганцу составила более 99%.
В наших опытах, проведенных на речной воде, концентрация общего железа в фильтрате лежала от 0,1 до 0,01 мг/л и ниже при исходном его содержании 0,3 - 0,5 мг/л. В опытах с модельным раствором железа (III) с исходной концентрацией 5-50 мг/л содержание железа в фильтрате составило 0,1 - 0,5 мг/л (рис. 4.12 и 4.13). Это показывает, что ультрафильтрационная очистка эффективна как при высоких концентрациях железа в исходной воде, так и при низких, вплоть до микроколичеств. Так в [85] сообщается, что мембраны с отсечением по молекулярной массе 80 кДа снижали содержание коллоидного кремнезема с 0,38 мг/л до 7 мкг/л, алюминия - с 0,1 мг/л до 5 мкг/л и общего железа - с 0,056 мг/л до 5 мкг/л.
Зарубежные изготовители мембранных установок используют в схеме обезжелезивания насыщение воды воздухом в аэрационных колоннах с помощью компрессоров или воздуходувок, после чего аэрированная вода подается на ультрафильтрационные аппараты.
