4.4.3. Цикл работы в режиме напорной тупиковой фильтрации с регенерацией обратным током

 

  К оглавлению книги

Режим тупиковой фильтрации с регенерацией обратным током используется при относительно небольшом содержании загрязнений и высокой производительности.

Во время стадии фильтрования загрязнения, поступающие с исходной водой, накапливаются на поверхности мембраны, образуя слой. Для того чтобы удалить этот слой загрязнений, периодически проводятся обратные промывки.

Упрощенная циклограмма работы элементов из полых волокон для тупиковой фильтрации и регенерации обратным током состоит из ряда операций:

  • фильтрация воды – 20–40 минут;
  • регенерация обратной промывкой фильтратом – ОПФ;
  • периодическая химическая очистка мембран – ХОМ.

Продолжительность стадии фильтрации определяется качеством исходной воды, типом мембран, условиями предподготовки воды и эффективностью регенерации мембран.

Большинство конструкций ультрафильтрационных модулей имеет два патрубка (порта) для подачи исходной воды. Для обеспечения равномерного распределения загрязнений по длине волокон фирма «Norit» рекомендует подавать исходную воду поочередно сверху и снизу модуля.

После стадии фильтрации следует стадия обратной промывки (регенерации) очищенной водой (как правило, фильтратом), подаваемой под давлением со стороны фильтрата. Промывка называется обратной, поскольку направление течения воды через мембрану в этом случае противоположно его направлению на стадии фильтрации.

Во время обратной промывки из мембранных модулей удаляются загрязнения и восстанавливает первоначальное значение давления на мембране, вся использованная вода сбрасывается в дренаж.

Способ обратной промывки зависит от способа организации потоков на стадии фильтрации. Если фильтрация проводилась с подачей исходной воды сверху, основные загрязнения накапливаются ближе к концу волокон в нижней части модуля, если снизу – наоборот, в верхней части. Для эффективного удаления этих загрязнений направление течения промывной воды вдоль модуля должно совпадать с направлением подачи исходной воды при фильтрации. При этом обеспечивается удаление загрязнений из волокон по кратчайшему пути.

Для модулей с одним штуцером вывода фильтрата и двумя для подачи исходной воды обычно половину времени обратной промывки загрязненный поток выводится из верхней части модуля, а вторую половину времени – из нижней части, обеспечивая, таким образом, очистку волокон мембраны по всей длине.

Если модуль снабжен штуцерами для вывода фильтрата сверху и снизу, это позволяет поочередно вводить фильтрат с разных сторон модуля, а промывную воду выводить с противоположной стороны. Такой режим обеспечивает наилучшее удаление загрязнений из волокон.

Для обеспечения надежной эффективной работы ультрафильтрационной установки водоподготовки важнейшей задачей, наряду с правильным расчетом продолжительности стадии фильтрации, является определение частоты, продолжительности и интенсивности обратных промывок. Эти параметры определяются видом и количеством загрязнений в исходной воде.

Для обеспечения высокой эффективности расход воды при обратной промывке должен превышать расход при фильтровании в 2–5 раз. При этом волокна подвергаются гораздо большей механической нагрузке (по сравнению со стадией фильтрования). Поэтому интенсивность обратных промывок ограничена допустимым по условиям прочности и устойчивости перепадом давления на мембранах.

В зависимости от качества исходной воды время обратной промывки составляет 30–60 с. Чем больше скорость ОПФ, тем выше ее эффективность и тем меньшее время требуется для полной отмывки мембран.

Если загрязнений мало, то процесс отмывки достаточно прост (рис. 4.19). В случае большого количества взвесей он существенно усложняется (рис. 4.20).

Типичный рабочий цикл в модуле dizzer ® фирмы «Inge» при очистке малозагрязненных вод

Рис. 4.19. Типичный рабочий цикл в модуле dizzer ® фирмы «Inge» при очистке малозагрязненных вод

О братные промывки не обеспечивают полного удаления загрязнений, особенно органических, имеющих высокую адгезию к поверхности мембран, а также малорастворимых солей с поверхности и из тела волокон. Особенно заметно это проявляется при использовании коагуляции на стадии предподготовки воды.

Типичный рабочий цикл в модуле dizzer ® фирмы «Inge» при очистке сильнозагрязненных вод Типичный рабочий цикл в модуле dizzer ® фирмы «Inge» при очистке сильнозагрязненных вод

Рис. 4.20. Типичный рабочий цикл при очистке воды с большим содержанием взвесей

Ряд фирм рекомендует производить водо-воздушные промывки мембран. Для этого в модуль при вводе исходной воды снизу дополнительно подается воздух. Считается, что это обеспечивает улучшенную очистку волокон.

Фирма «Hydranautics» предлагает проводить так называемую воздушную обратную промывку. Цель данной процедуры – опустошить волокна со стороны питающей воды, а затем поднять давление на 1 атм. и поддерживать это давление несколько секунд (рис. 4.21). Затем следует резкий сброс воздуха и подача фильтрата на обратную промывку в пустое внутри волокно. При этом происходит гидравлический удар, что положительно сказывается на качестве очистки мембраны, особенно после химической промывки.

Химические обратные промывки (ХОП) в англоязычной литературе именуемые Chemically Enhanced Backwash , или сокращенно – CEB представляют собой разновидность обратных промывок, при которых в промывную воду добавляют те или иные реагенты (кислоту, щелочь, биоцид). Они позволяют удалить загрязняющие вещества, которые частично засорили мембрану и не удаляются в ходе обычной обратной промывки. Поскольку материал половолоконных мембран химически устойчив к воздействию большинства неорганических кислот и щелочей, а также поверхностно активных веществ, это дает возможность широкого выбора рецептур промывных растворов для каждого конкретного вида загрязнений.

Диаграмма потоков через модуль ультрафильтрации воды во время водо-воздушной промывки

Рис. 4.21. Диаграмма потоков через модуль во время водо-воздушной промывки

Для борьбы с неорганическими отложениями по мере необходимости используют кислоту ( соляную, серную или лимонную) .

Мембраны с их большой поверхностью и наличием задержанных биологических и органических веществ являются идеальным местом для развития бактерий. Для борьбы с биообрастанием мембран, примерно через каждые 5–6 обычных обратных промывок проводится их промывка с окислителями, обычно – с гипохлоритом натрия .

Сильные окислители, такие как гипохлорит натрия (NaOCl) и перекись водорода (H2O2), могут использоваться для очистки мембран из полиэфирсульфона, полисульфона или поливинилденфторида при концентрациях 100–200 мг/л. Устойчивость материала мембран к воздействию активного хлора составляет примерно 200000 мг Cl 2 ·ч. Ацетатцеллюлозные мембраны выдерживают бoльшие концентрации окислителей.

Частота проведения химических промывок определяется количеством загрязнений в воде и их природой. Например, на установке ультрафильтрации НчГРЭС каждая шестая обратная промывка осуществляется с добавлением гипохлорита натрия для обеззараживания мембран [129]. Еще через 5–6 обратных промывок с использованием гипохлорита натрия производится щелочная промывка. Она необходима для удаления органических отложений.

Реагенты контактируют с мембранами в течение небольшого промежутка времени и затем вымываются в ходе обычной обратной промывки. Отработанные реагенты сливаются в специальную емкость для последующей нейтрализации.

Кроме химической обратной промывки, для полного удаления загрязнений с мембран систем ультрафильтрации воды несколько раз в год (обычно 1 раз в 2 месяца) производится химическая мойка (ХМ) , в англоязычной литературе именуемая Cleaning in Place ( CIP ) .

Химическая мойка состоит из операций замачивания, рециркуляции очищающего раствора и последующей стандартной обратной промывки.

Замачивание в растворе реагента может продолжаться несколько часов (до 12), Очистка в режиме рециркуляции продолжается 30–60 минут с дополнительным сбросом раствора из штуцера вывода пермеата (рис. 4.22). Общая длительность операций может составлять около суток.

Графически последовательность выполнения операций при ультрафильтрации показана на рис. 4.23, а зависимость трансмембранного давления от времени работы, включая проведение обратных промывок и химической мойки на рис. 4.24.

Диаграмма потоков через модуль ультрафильтрации воды во время химической мойки   Последовательность выполнения операций при ультрафильтрации на мембранах Hydranautics по рекомендации производителя: ХОП – химические обратные промывки; ХМ – химическая мойка
Рис. 4.22. Диаграмма потоков через модуль во время химической мойки   Рис. 4.23. Последовательность выполнения операций при ультрафильтрации на мембранах Hydranautics по рекомендации производителя: ХОП – химические обратные промывки; ХМ – химическая мойка

 

Зависимость трансмембранного давления от времени работы при проведении обратных промывок и химической мойки

Рис. 4.24. Зависимость трансмембранного давления от времени работы при проведении обратных промывок и химической мойки

В табл. 4.8 приведены виды загрязнений, способы предотвращения загрязнения и методы очистки мембран, а в табл. 4.9 – зависимость частоты различных промывок от качества исходной воды.

Проверка целостности волокон

Волокна мембраны, несмотря на то, что они очень прочны химически и физически, могут повреждаться. Поскольку в каждом модуле находятся многие тысячи волокон, это статистически возможно.

Целостность мембраны является критически важным фактором для процесса ультрафильтрации, особенно для случая, когда такая установка очищает питьевую воду от вирусов и бактерий. Даже наличие одного или нескольких поврежденных волокон из сотен тысяч приводит к резкому увеличению мутности, а главное – к бактериологическому загрязнению фильтрата.

4.8. Способы предотвращения загрязнения мембран и методы их очистки

Тип загрязнения

Вид загрязнений

Способ предотвращения загрязнения

Метод очистки

Частицы

Взвеси, коллоиды

Коагуляция, фильтрация

Обратная промывка

Биология

Микроорганизмы

Предотвращение биозагрязнения ( Cl 2 , бисульфит и т.п.)

Извлечение на активированном угле

ХОП с окислителями/биоцидами ( Cl 2 , H 2 O 2 , бисульфит и т.п.)

Неорганика

Неорганические отложения

Окисление/осаждение + фильтрация

Использование воды с низкой жесткостью для кислотнго СЕВ

Кислотный ХОП рН ~ 2 ( HCl , H 2 SO 4 , лимонная кислота и т.п.)

Органика

Сорбируемая органика (органические кислоты, гуматы и т.п.)

Коагуляция

Сорбция на активированном угле

Щелочной ХОП рН ~ 12 (NaOH)

 

4.9. Зависимость частоты различных промывок от качества исходной воды

Тип воды

Мутность, NTU

TOC , мг/л

Удельная производительность, л/(м 2 ·ч)

Интервал обратных промывок, минуты

Частота воздушных промывок, разы/сутки

Частота ХОП , разы/сутки

Подземная

< 2

< 1

90

60

1

Водопроводная

< 3

< 2

75

60

2

1

Поверхностная, профильтрованная на песчаном фильтре

2–5

< 2

75

60

2

1

Поверхностная

5–15

< 3

60

40

3

4

Поверхностная

15–50

< 3

45

20

4

Каждый цикл

Морская

< 20

60

30

4

Каждый цикл

Сбросная

0–5

40

20

6

Каждый цикл

 

Хотя, по данным производителей, случаи нарушения целостности волокон чрезвычайно редки, все они предусматривают меры по определению нарушения целостности, нахождения и устранения поврежденных волокон. С определенной периодичностью для модулей ультрафильтрации воды производится проверка целостности волокон и в случае необходимости – ремонт мембранного модуля с поврежденными волокнами.

Проверка целостности волокон и выявление повреждений основаны на том, что воздух не может проходить сквозь влажные поры, если значение приложенного давления, ниже определенной величины – так называемой «точки пузырька». Это давление зависит от размера пор, их формы и поверхностного натяжения на границе раздела вода/воздух. Данное давление обычно значительно превосходит тестовое давление, необходимое для обнаружения утечек.

Для проверки целостности используется осушенный, очищенный от масел воздух. Воздух под давлением 1 атм подается в стойку, содержащую один или несколько модулей, например, через коллектор фильтрата. Вентиль подачи исходной воды остается открытым для того, чтобы вода могла свободно под действием давления воздуха выходить из модуля (рис. 4.25). После того, как со стороны фильтрата внутри модулей не останется воды, вентиль подачи воздуха перекрывается. Затем в течение определенного времени производится наблюдение за скоростью падения давления внутри модулей. В случае, если какое-либо волокно повреждено, будет наблюдаться быстрое падение давления (по сравнению с неповрежденными модулями), т.к. воздух будет просачиваться через поврежденное место. В этом случае поврежденный модуль может быть легко идентифицирован по наличию пузырьков, визуально наблюдаемых через прозрачную трубу вверху модуля. При этом для наблюдения воздушных пузырьков верхний патрубок подачи воды должен быть заполнен водой.

При другой организации процесса воздух подается на вход или выход модуля. Если модуль содержит поврежденные волокна, воздух будет проходить сквозь мембрану и пузыриться через воду со стороны фильтрата. В этом случае для визуализации рекомендуется устанавливать на линии вывода фильтрата одну секцию с прозрачной трубой или смотровую трубку после каждого модуля (рис. 4.26).

Проверка целостности мембран ультрафильтрации в фазе нагнетания давления воздуха

Установка смотрового стекла на линии фильтрата после каждого модуля в системе Т- rak фирмы « Inge »

Рис. 4.25. Проверка целостности мембран в фазе нагнетания давления

воздуха

Рис. 4.26. Установка смотрового стекла на линии фильтрата после каждого модуля в системе Т- rak фирмы « Inge »

 

Неисправный модуль снимается с установки и проходит индивидуальную проверку для локализации поврежденных волокон. Однако, повторимся: повреждения половолоконных мембран скорее исключение, чем правило.

Rambler's Top100 Rambler's Top100