4.4.1. Напорная фильтрация воды

 

  К оглавлению книги

В настоящее время большинство элементов, предназначенные для целей водоподготовки, производят в основном из полых волокон или трубок с внутренним диаметром от 0,8 до 16 мм в напорных корпусах. Для трубок с увеличенным диаметром рабочая поверхность существенно уменьшается, но появляется возможность фильтрации воды, содержащей значительное количество взвеси. К сожалению, возможное давление при обратной промывке снижается из-за недостаточной прочности трубок, и для удаления загрязнений приходится использовать дополнительные технологические приемы.

В качестве примера приведем технические характеристики модулей dizzer ® компании « Inge » (рис. 4.14, табл. 4.6).

мембранный элемент из полых волокон для тупиковой фильтрации воды и регенерации обратным током

Рис. 4.14. Элемент из полых волокон для тупиковой фильтрации и регенерации обратным током

Выбор способа фильтрования: снаружи или изнутри волокон

В зависимости от типа мембран возможны два основных варианта работы половолоконных мембранных аппаратов:

  • если разделительный слой находится на внутренней поверхности волокна, то очищаемая вода подается внутрь волокна (трубки), а фильтрат собирается снаружи ( рис. 4.15, а ) ;
  • если разделительный слой находится на внешней поверхности волокна, то очищаемая вода подается снаружи волокна, а фильтрат собирается внутри (рис. 4.15, б ).

4.6. Характеристики модулей dizzer ® компании « Inge » [93]

Характеристики

Тип модуля

 

dizzer ® XL MB 4 0

dizzer® XL 09 MB 6 0

Длина, мм

1680

1680

 

Диаметр, мм

250

Соединитель разъемный

Тип 2" Victaulic

Материал корпуса

PVC - U

Максимальное рабочее давление, атм

5

Волокно

Многоканальное с 7 каналами

Наружный диаметр волокна, мм

6,0

4,0

Внутренний диаметр канала, мм

1,5

0,9

Материал

Модифицированный полиэфирсульфон PESM

Размер пор, мкм

приблизительно 0,02

Поверхность мембран рабочая, м 2

40

60

 

Рабочие параметры:

 

температура, не более ° C

40

диапазон рН:

 

на рабочей стадии

3–10

на стадии промывки

1–13

Реагенты для дезинфекции/отмывки:

 

свободный хлор, не более

200 мг/л или 200 000 мг/л · ч

перекись водорода H2 O2 , не более

500 мг/л

Удельная производительность (съем):

 

на стадии фильтрации, л/(м 2 ·ч )

60–180

на стадии промывки, л/(м 2 ·ч )

230–300

Трансмембранное давление ( TMP ):

 

на стадии фильтрации, атм.

0,1 – max . 0,8

на стадии промывки, атм.

0,3 – max . 2,5

Производительность м 3 /ч при съеме 80–100 л/(м 2 ·ч ),

3,2

6,0

 

Сухой вес, кг

50

55

 

 

Обратная промывка осуществляется всегда в противоположном направлении, т.е. со стороны фильтрата (рис. 4.16).

Рис. 4.15. Варианты проведения процесса фильтрования: а – изнутри–наружу; б – снаружи–вовнутрь

image description

Рис. 4.16. Стадии процесса фильтрования изнутри-наружу

Каждый вариант имеет свои преимущества и недостатки, а также свою область применения.

Поскольку обычно промышленные половолоконные мембраны имеют наружный диметр – 1,2–1,5 мм и внутренний 0,7–0,9 мм, площадь внешней поверхности волокна превышает внутреннюю примерно в полтора-два раза. Это означает, что при одних и тех же условиях можно обеспечить съем фильтрата с мембранного волокна при фильтровании снаружи–вовнутрь волокна почти в два раза больший, чем изнутри–наружу.

На практике, однако, возникают существенные ограничения, связанные с обратной промывкой таких волокон. Для эффективного смыва загрязнений с поверхности мембраны необходимо обеспечить расход фильтрата при обратной промывке, превышающий в 2–5 раз значение расхода при фильтровании. Из-за меньшей внутренней поверхности волокна этого трудно добиться. Ограничения по расходу фильтрата при обратной промывке лимитируют величину допустимого удельного съема с поверхности мембраны при фильтровании т.к. приходится уменьшать предельную степень загрязнения мембран. Если проводить обратную промывку снаружи волокна вовнутрь, то можно обеспечить значительно больший поток, чем при обратной промывке фильтратом изнутри–наружу.

Другим существенным различием является возможность равномерной подачи исходной воды внутрь всех волокон – они представляют собой как бы дренажно-распределительное устройство высокого сопротивления. При этом четко контролируется скорость потока внутри мембраны. Это необходимо для снижения концентрационной поляризации и предотвращения накопления загрязнений в волокнах. При фильтровании снаружи–вовнутрь проконтролировать скорость потока над поверхностью мембраны невозможно из-за неравномерности зазоров между волокнами. Из-за этого может возникать неравномерная рабочая нагрузка на различных участках поверхности мембраны и, соответственно, формирование неоднородных слоев отложений.

Проведенные сравнительные испытания напорных элементов с разными способами фильтрования показали, что загрязнение мембран для фильтрования снаружи–вовнутрь наступает быстрее и химические мойки требуются чаще (см. раздел 4.7.3).

Суммируем основные преимущества и недостатки каждого из подходов.

Преимущества способа фильтрования изнутри–наружу:

  • возможность обеспечить высокие значения расхода потока фильтрата при обратной промывке (в 2–5 раз превышающие скорость рабочего фильтрования), что способствует эффективной очистке мембранной поверхности от загрязнений;
  • возможность регулирования скорости потока воды в канале волокон, с целью обеспечения оптимального гидродинамического режима для снижения эффекта осадкообразования на поверхности мембраны;
  • возможность обработки в режиме рециркуляции вод с высоким содержанием взвешенных веществ (до 1000 мг/л в случае использования мембран с внутренним диаметром полых волокон более 1,5 мм).

Недостатки способа фильтрования изнутри–наружу:

  • меньшая площадь фильтрования и съем фильтрата с одного волокна, по сравнению со способом фильтрования снаружи вовнутрь, и, следовательно, более высокие энергозатраты.

Преимущества способа фильтрования снаружи–вовнутрь:

  • большая площадь фильтрования и, следовательно, более высокий съем фильтрата с одного волокна; этим обеспечивается возможность использования более низкого давления на стадии фильтрования и, соответственно, снижение энергозатрат;
  • компактность установок водоподготовки, так как мембранные элементы не всегда должны размещаться в корпусах (например, в случае применения безнапорной или вакуумной фильтрации).

Недостатки способа фильтрования снаружи–вовнутрь:

  • низкий расход фильтрата при обратной промывке, что осложняет качественную регенерацию мембраны и может приводить к ее ускоренному загрязнению в рабочем цикле;
  • невозможность обеспечить однородный характер омывания мембран на стадии фильтрования, что приводит к неравномерному отложению осадка на поверхности мембраны и, как следствие, ограничению допустимого содержания взвесей в воде.

Следует учесть, что из некоторых полимеров могут быть получены только мембраны с разделительным слоем снаружи, например, из ПВДФ. В то же время их высокая химическая стойкость, особенно к окислителям, привлекает внимание потребителей. Поэтому для реализации их преимуществ потребитель часто готов пойти на определенные эксплуатационные ограничения.

Сравнение режимов фильтрования : тупикового с обратной промывкой и тангенциального

В режиме тангенциальной фильтраци и через мембрану проходит только часть исходной воды. Оставшаяся часть (концентрат) выводится из мембранного модуля. При этом часть концентрата может сбрасываться (например, в дренаж) или смешиваться с исходной водой и направляться обратно в мембранный модуль (режим концентрирования с рециркуляцией).

При тупиковой фильтраци и весь объем исходной воды проходит через мембрану. Такой режим кажется, на первый взгляд, экономически более выгодным (так как не требует затрат электроэнергии на перекачивание жидкости). Однако при обратных промывках используется определенный объем фильтрата, который может достигать в зависимости от качества воды 20–30 %, что существенно ухудшает гидравлический КПД процесса.

Фильтрация из тангенциального потока позволяет в несколько раз снизить частоту обратных промывок и химических моек, а также на 30–60   % увеличить значение удельного съема фильтрата с мембраны, а с применением рециркуляции – еще и повысить значение гидравлического КПД процесса. Если учесть эти факторы, то использование тангенциального режима может оказаться экономически более привлекательным как с точки зрения капитальных, так и эксплуатационных затрат.

На практике режим фильтраци и из тангенциального потока используется для обработки исходной воды с высоким содержанием взвешенных веществ и в случаях, когда требуется обеспечить минимальный объем отходов. Иногда используется совмещенный режим: тупиковая фильтрация с частичным рециклом концентрата.

Rambler's Top100 Rambler's Top100