Очистка воды мембранная: Мембранный метод водоочистки

Содержание

Мембранные технологии очистки воды | компания «Waterman»

В настоящее время среди потребителей становятся всё более популярными фильтры для воды, работающие по принципу обратного осмоса. С начала 60-х годов процесс обратного осмоса используется для очистки воды. Первоначально с его помощью опресняли морскую воду. На сегодняшний день сотни тысяч тонн питьевой воды в сутки производятся по принципу обратного осмоса. С усовершенствованием технологии стало возможным использование обратноосмотических систем и в домашних условиях. Тысячи таких систем уже функционируют по всему миру. Вода, получаемая обратным осмосом, имеет уникальную степень очистки и близка по своим свойствам к талой воде ледников, считающейся наиболее экологически чистой и полезной для человека.

Ниже мы подробно опишем принцип действия мембранных технологий. Если Вы испытываете дефицит времени и Вам некогда в этом разбираться, то специалисты компании Waterman оперативно проконсультируют Вас по вопросам, связанным со спецификой этих процессов и сориентируют в выборе необходимого Вам оборудования.

Осмос

Известно, что в основе обмена веществ всех живых организмов лежит явление осмоса. Именно благодаря этому процессу в каждую живую клетку поступают питательные вещества и выводятся шлаки.

Мы наблюдаем явление осмоса при наличии двух соляных растворов с разными концентрациями, разделенных полупроницаемой мембраной.

Такая мембрана, пропуская молекулы и ионы определенного размера, непроницаема для веществ с молекулами большего размера. Молекулы воды способны свободно проникать через мембрану – в отличие от молекул растворенных в воде солей.

При наличии по обе стороны полупроницаемой мембраны солесодержащих растворов с разной концентрацией, происходит перемещение молекул воды через мембрану из слабо концентрированного раствора в более концентрированный, что повышает в последнем уровень жидкости. Даже если оба раствора находятся под одинаковым внешним давлением, в силу явления осмоса наблюдается процесс проникновения воды через мембрану.

Разница в высоте уровней двух растворов разной концентрации пропорциональна силе, под действием которой вода проходит через мембрану. Эта сила называется «осмотическим давлением».

Обратный осмос

При воздействии на раствор с большей концентрацией внешнего давления, превышающего осмотическое, движение молекул воды через полупроницаемую мембрану происходит в обратном направлении, то есть из более концентрированного раствора в менее концентрированный.

Такой процесс получил название «обратный осмос». Все мембраны обратного осмоса работают по этому принципу.

Вода и растворенные в ней вещества в процессе обратного осмоса разделяются на молекулярном уровне, в итоге с одной стороны мембраны остается идеально чистая вода, а с другой — все загрязнения. Таким образом, обратным осмосом обеспечивается гораздо более высокая степень очистки, чем большинством традиционных методов фильтрации, основанных на механической фильтрации и адсорбции веществ с помощью активированного угля.

Установки обратного осмоса

Процесс обратного осмоса используется в осмотических фильтрах, имеющих специальные мембраны, которые задерживают растворенные в воде минеральные и органические примеси, вирусы и бактерии. Здесь очистка воды производится на молекулярном и ионном уровне, при этом значительно уменьшая общее солесодержание в воде. В Европе и США для очистки муниципальной воды используется много домашних фильтров обратного осмоса с содержанием солей от 500 до 1000 мг/л; обратноосмотические системы высокого давления способны довести до качества нормальной питьевой воды солоноватую и даже морскую воду (36000 мг/л).

Фильтрами на основе обратного осмоса удаляются из воды ионы Са, Mg, Cl, Na, тяжелых металлов, мышьяк, удобрения, инсектициды и многие другие примеси. Таким образом, обратноосмотические мембраны представляют собой «молекулярное сито», которое задерживает практически все примесные элементы, содержащиеся в воде — независимо от их природы. Это предотвращает возможные проблемы потребителей воды, связанных с неполным или неточным анализом исходной воды, особенно из индивидуальных скважин.

Мембрана является самым важным элементом обратноосмотических установок. Через поры мембраны пропускается исходная вода, загрязненная различными частицами и примесями. Эти поры настолько малы, что сквозь них загрязнения практически не проходят. Чтобы предотвратить забивание мембранных пор, вдоль мембранной поверхности направляется входной поток, вымывающий загрязнения. Происходит, таким образом, разделение входного потока на два выходных: на пермеат — раствор, проходящий через мембранную поверхность и концентрат — часть исходного потока, не прошедшего через мембрану.

Внимание! Вода, подаваемая на установку обратного осмоса, должна соответствовать определённым требованиям (подробнее здесь). Использование мембранной установки для фильтрации воды из индивидуальных скважин в большинстве случаев требует предварительного обезжелезивания воды.

Мембранные элементы обратного осмоса

Обратноосмотическая полупроницаемая мембрана представляет собой композитный полимер неравномерной плотности. Этот полимер имеет два неразрывно соединенных между собой слоя. Наружный барьерный слой — очень плотный, с толщиной около 10 миллионных см. Второй слой — менее плотный, пористый; его толщина — пять тысячных см. Осмотической мембраной задерживаются все растворенные соли и неорганические молекулы, а также органические молекулы с молекулярной массой более 100. Свободно проходящие через мембрану молекулы воды создают поток пермеата. По качеству пермеат сопоставим с обессоленной водой, полученной по традиционной схеме Н-ОН-ионирования, а по отдельным параметрам (содержание железа и кремниевой кислоты, окисляемость и др.) превосходит.

Таким образом, обратноосмотическая мембрана является прекрасным фильтром. В чистой воде, полученной в результате фильтрации, содержание растворенных минеральных веществ независимо от их концентрации во входящей воде теоретически должно составлять 0 мг/л.
И полупроницаемая мембрана, и минеральные вещества, растворенные в воде, имеют свой собственный электрический заряд. Поэтому 98 – 99% молекул минеральных веществ отталкивается от обратноосмотической мембраны. Молекулы и ионы находятся в непрерывном хаотичном движении. Движущиеся противоположно заряженные ионы, оказываясь на очень близком расстоянии, притягиваются, при этом происходит нейтрализация их электрических зарядов. Образуются незаряженные частицы, способные проходить через обратноосмотическую мембрану. фактически>

В чистую воду попадает только малая часть незаряженных частиц. Так как величина пор обратноосмотической мембраны сопоставима с величиной молекул воды, самых маленьких в природе, через нее могут проникать только мельчайшие незаряженные молекулы минеральных веществ. Она не пропускает такие опасные крупные молекулы, как соли тяжелых металлов, например.

Важно, что с повышением давления на входе содержание солей в очищенной мембраной воде не увеличивается. Наоборот, увеличение давления воды приводит к росту производительности мембраны, а также к улучшению качества очистки при применении метода обратного осмоса. То есть, выше давление воды на мембране — больше чистой воды лучшего качества можно получить!

При очистке воды по принципу обратного осмоса со стороны входа возрастает концентрация солей, что может послужить причиной засорения мембраны и прекращению ее работы. Чтобы этого избежать, принудительный поток воды вдоль мембраны смывает «рассол» в дренаж.

Эффективность процесса обратного осмоса зависит от ряда факторов: температуры, давления, уровня рН, материала мембраны и химического состава входной воды.

Обратноосмотические мембраны отлично очищают воду от неорганических веществ. Степень очистки, в зависимости от типа применяемой мембраны (тонкопленочная композитная или ацетатцеллюлозная), по большинству неорганических элементов составляет 85%-98%.

Мембраной обратного осмоса производится очистка воды также и от органических веществ. Полностью удаляются органические вещества с молекулярным весом более 100-200; а с меньшим — в незначительных количествах могут проникать через мембрану. Практически исключается вероятность проникновения через мембрану обратного осмоса вирусов и бактерий, так как они имеют большой размер.

В то же время, растворенные в воде кислород и другие газы, определяющие вкус воды, мембрана пропускает. В результате, на выходе системы обратного осмоса потребитель получает свежую, вкусную, настолько чистую воду, что она практически не требует кипячения.

Такие мембраны в промышленности изготавливаются из керамических и полимерных материалов. С их помощью, в зависимости от размера пор, осуществляется:

обратный осмос;

микрофильтрация

ультрафильтрация;

нанофильтрация (нанометр — одна миллиардная метра, или одна тысячная микрона, то есть 1 нм = 10 ангстрем = 0,001 мкм.).

Обратноосмотические мембраны – самые селективные, так как имеют самые мелкие поры. С их помощью задерживаются все вирусы и бактерии, большая часть растворенных солей и органических веществ (в том числе гумусовые соединения и железо, которые придают воде цветность и патогенные вещества). Обратноосмотические мембраны, пропуская лишь молекулы воды, легких минеральных солей и растворенных газов, задерживают 97-99 % всех растворенных веществ.

Материалом мембранных фильтров является нитрат целлюлозы, и многолетняя практика доказала его надежность.

Мембранный фильтр представляет собой несколько слоев, соединенных вместе и обмотанных вокруг пластиковой трубки. Вода продавливается через полупроницаемый материал мембраны. Схематическое изображение мембраны приведено ниже.

Обратноосмотические мембраны широко применяются в тех отраслях промышленности, где требуется вода высокого качества (пищевая промышленность, разлив воды, фармацевтика, производство алкогольных и безалкогольных напитков, электронная промышленность и др.). Двухступенчатый обратный осмос (через обратноосмотические мембраны вода пропускается дважды) позволяет получить деминерализованную и дистиллированную воду. Эти системы — экономически выгодная альтернатива дистилляторам-испарителям, поэтому они используются на многих производствах (электроника, гальваника и т. д.).

Мембранные фильтры все чаще используются в быту. Их повсеместное распространение происходит за счет того, что снизились стоимость мембранных аппаратов и рабочее давление, возросла удельная производительность. Чистейшая вода, полученная с помощью систем обратного осмоса, удовлетворяет СанПиН «Питьевая вода» и европейским стандартам качества для питьевого водопользования; соответствует всем требованиям для использования в бытовой технике, сантехнике, системах отопления.

Коллоидные частицы и мелкие взвеси, определяемые как мутность, задерживаются микрофильтрационными мембранами с размером пор 0,1-1,0 мкм. Обычно они используются для грубой очистки воды (или для предварительной подготовки воды перед более глубокой очисткой).

Обратный осмос в отличие от микрофильтрации характеризуется меньшим размером мембранных пор, и, как следствие, меньшим минимальным размером задерживаемых частиц. Мембраны с более мелкими порами оказывают большее сопротивление потоку, поэтому для процесса фильтрации требуется большее давление.

Ультрафильтрация. Установки ультрафильтрации

УФ-мембрана задерживает микроорганизмы, взвешенные вещества, бактерии, вирусы, водоросли; существенно понижает мутность воды. УФ-мембраны в ряде случаев значительно уменьшают цветность и окисляемость воды. Ультрафильтрация заменяет осаждение, отстаивание, микрофильтрацию.

Ультрафильтрационные мембраны имеют поры размером от 0,01 до 0,1 мкм и удаляют крупные органические молекулы с молекулярным весом свыше 10 000, бактерии и вирусы, коллоидные частицы, не задерживая при этом растворенные соли. Эти мембраны находят широкое применение в быту и промышленности, стабильно обеспечивая высокое качество очистки от вышеперечисленных примесей, сохраняя при этом минеральный состав воды. Таким образом, с помощью уьтрафильтрации вода осветляется и обеззараживается практически без применения химреагентов; при этом солевой состав воды сохраняется. Для водоподготовки в промышленности наиболее широко применяются половолоконные мембраны. Их основным элементом является полое волокно диаметром 0,5-1,5 мм, на внутренней поверхности которого нанесена ультрафильтрационная мембрана. Группы полых волокон группируются в модули, чтобы получить большую фильтрующую поверхность (до 47-50 м2).

Как правило, установка ультрафильтрации функционирует в режиме «тупиковой фильтрации» без сброса концентрата. Происходит чередование процесса фильтрации с обратной промывкой мембран от накопившихся загрязнений. При обратной промывке часть очищенной воды (не более 10-20 % от потока исходной воды) подается в обратном направлении. В промывную воду периодически поступает раствор моющих реагентов. Усиленная циркуляционная промывка мембран производится специальными моющими растворами один-два раза в год. Ультрафильтрацией можно получать питьевую воду непосредственно из поверхностного источника. УФ-мембрана служит барьером для вирусов и бактерий, поэтому первичное хлорирование воды не требуется. Осуществление обеззараживания воды производится непосредственно перед подачей ее потребителю.

Возможно использование данной технологии в качестве предподготовки воды перед обратным осмосом, так как ультрафильтрат полностью свободен от коллоидных и взвешенных веществ.

Нанофильтрация. Установки ультрафильтрации

Нанофильтрацией (НФ), занимающей промежуточное положение между обратным осмосом и ультрафильтрацией, производится очистка воды от органических соединений с молекулярной массой выше 300. Нанофильтрационные мембраны, имеющие поры размером от 0,001 до 0,01 мкм, пропускают 15-90 % солей в зависимости от структуры мембраны.

Нанофильтрация и обратный осмос очень близки по схеме организации процесса, механизму разделения сред, мембранам, оборудованию и рабочему давлению. Нанофильтрационной мембраной полностью задерживаются микроорганизмы, вирусы и бактерии, частично — органические молекулы, растворенные соли. При этом степень обессоливания ниже, чем при обратном осмосе. Нанофильтрат почти не содержит солей жесткости (снижение в 10-15 раз), т.е. он умягчен. Нанофильтрацией эффективно снижаются цветность и окисляемость воды. В результате этого процесса исходная вода обеззараживается, умягчается и частично обессоливается.

Современные нанофильтрационные фильтры являются альтернативой установкам ионообменного умягчения воды.

Преимущества обратного осмоса

Но наибольшее признание получили обратноосмотические мембранные фильтры очистки воды благодаря уникальному качеству воды, достигаемому после фильтрации. Эти фильтры эффективны для очистки воды от низкомолекулярных гуминовых соединений, придающих воде желтоватый оттенок и ухудшающих ее вкусовые свойства, и которые сложно удалить другими методами. В результате использования мембранных обратноосмотических фильтров получается чистейшая вода, безопасная для здоровья. Такая вода продлевает срок службы бытовой техники, сантехники и системы отопления.

У обратноосмотических фильтров имеется еще ряд других достоинств. Во-первых, за счет того, что загрязнения, не накапливаясь внутри мембраны, постоянно сливаются в дренаж, исключается вероятность их попадания в очищенную воду. Это обеспечивает стабильно высокое качество очищенной воды даже при значительном ухудшении параметров исходной воды. В таком случае может лишь понизиться производительность: встроенные в систему счетчики это покажут. Тогда потребуется промыть мембрану специальными реагентами.

Достаточно регулярно (примерно 4 раза в год) такие промывки с одновременным контролем работы установки проводятся специалистами сервисной службы. Следующим преимуществом является отсутствие химических сбросов и реагентов, что поддерживает экологическую безопасность. Достоинством мембранных систем также является их компактность и простота эксплуатации.

Мембранные системы очистки воды достаточно дорогостоящи. Но «накопительные» системы тоже недешево обходятся, учитывая то, что при их использовании скорее всего понадобится несколько установок различного действия. А что касается эксплуатационных затрат, то они значительно меньше для мембранных систем.

На сегодняшний день происходит активное развитие технологий обратного осмоса. Постоянно совершенствуются установки. Современные системы – это целые агрегаты с предочисткой воды, которые устанавливаются под мойкой или на линии подачи воды. Благодаря надежности, удобству в эксплуатации, компактности и стабильно высокому качеству получаемой воды, осмотические фильтры все чаще используются в быту. Композитные тонкопленочные мембраны, которыми комплектуется большинство обратноосмотических фильтров, используемых в жилых помещениях, задерживают от 95 до 99% всех растворенных веществ. Достоинством таких мембран является работа при высоких концентрациях растворенных в воде примесей, а также в широком диапазоне рН и температуры.

Иногда применение обратного осмоса необходимо, например, для умягчения воды. Как правило, для этого используются фильтры-умягчители, с фильтрующей средой из ионообменных смол, заменяющие в воде ионы магния и кальция, «ответственные» за жесткость, на ионы натрия. Допустимые концентрации натрия в воде намного больше, чем кальция и магния, и соли натрия не образуют накипи. Но в случае очень большой жесткости воды (более 30 мг-экв/л), при этом процессе происходит превышение и по натрию. Накипи не будет, но пить такую воду нельзя. И тогда обратный осмос поможет убрать избыток натрия — произвести «умягчение» воды.

Обратноосмотические системы — наиболее прогрессивные системы подготовки питьевой воды на сегодняшний день. На выходе они дают воду, по степени очистки близкую к дистиллированной. Но в отличие от безвкусной дистиллированной воды, она имеет прекрасные вкусовые качества за счет сохранности растворенных в ней газов.

Потребитель современного рынка четко усвоил, что не всегда высокая цена означает отличное качество, а также что не всегда стоит переплачивать за бренд, когда есть более дешевые, но не менее эффективные технологии. Однако системы обратного осмоса — это как раз тот случай, когда уровень цен на товар соответствует качеству производимой им работы. Компания Waterman предлагает широкий спектр современного водоочистного оборудования, поддерживающего высокие стандарты качества очищенной воды.

Наши специалисты подберут для Вас оптимальный вариант системы очистки воды, обеспечат ее установку и дальнейшее обслуживание.

Установки мембранной фильтрации — мембранные системы очистки воды от компании в Москве «ВОДЭКО»

Проблема загрязнения воды является актуальной на протяжении последних нескольких лет. Например, загрязнение поверхностных водоемов промышленными стоками не позволяет использовать ее в качестве питьевой без специальной обработки. Одним из распространенных и эффективных на сегодняшний день способов получения чистой воды являются баромембранные методы.

Баромембранные (мембранные) методы очистки представляет собой очистку воды с использованием мембран, которые представляют собой полупроницаемые перегородки под действием перепада давления. Исходный водный раствор поступающий в систему мембраной фильтрации разделяется на 2 потока: пермеат и концентрат. В процессе фильтрации мембрана задерживает содержащиеся в исходном растворе примеси, которые остаются в концентрате, а очищенная вода, прошедшая через мембрану, представляет собой пермеат. Системы мембранной фильтрации применяется для очистки воды от механических примесей и органических веществ, для очистки сточных вод, для умягчения и обеззараживания воды и для получения сверхчистой воды.

К мембранным методам очистки воды относятся:

Обратный осмос;

Нанофильтрация;

Ультрафильтрация;

Микрофильтрация;

Мембранная дегазация;

Электродеионизация;

Под действием перепада давления вода с некоторыми ионами солей проникают сквозь мембрану, в то время как другие — задерживаются и остаются в исходном растворе. Исходя из компонентного состава водного раствора, необходимо использовать разные системы мембранной очистки.

Рассмотрим существующие мембранные методы очистки.

Обратный осмос — это метод мембранной очистки обычно применяется для обессоливания воды, получения дистиллированной воды или даже еще лучше. Процесс выглядит следующим образом: раствор (исходная вода) проходит под давлением через специальную полимерную мембрану, которая может задерживать 98-99,7% минеральных солей. Процесс происходит без изменения агрегатного состояния воды. Обратный осмос позволяет задерживать частицы больше 0,0001 мкм. Очистка на системах обратного осмоса происходит при высоком перепаде давления 8-20 атм.

Нанофильтрация — тоже является мембранным методом очистки, применяется для частичного обессоливания воды в основном задача снизить Жесткость воды и при этом не получить дистиллированную воду. В отличие от обратного осмоса, может задерживать частицы размером от 0,0001 до 0,001 мкм. Также применяется полимерная мембрана, которая задерживает 80-96% минеральных солей. Процесс проходит при давлении 4-8 атм.

Ультрафильтрация — процесс мембранной фильтрации, при котором задерживающая способность мембраны определяется молекулярной массой растворенных частиц. Процесс осуществляется при сравнительно невысоком перепаде давления, по сравнению с обратным осмосом и нанофильтрацией. Мембраны задерживают загрязнения с размером от 0,1 до 0,01 мкм. Рабочее давление 1 — 4 атм.

Микрофильтрация — также является методом мембранной очистки. В этом методе очистки используются мембраны, размер пор которых составляет от 0,20 до 1,0 мкм. Данный размер пор позволяет задерживать мелкие взвешенные частицы, коллоиды, эмульсии, простейших микроорганизмов, бактерии и водоросли. Процесс очистки осуществляется при невысоком перепаде давления 0,3-2,0 атм.

Электродеионизация — технология очистки воды, сочетающая в себе мембранный метод и ионообменный одновременно. Применение систем электродеионизации позволяет получать сверхчистую деминерализованную воду 10-18 МОм. Для этого используются ионообменные смолы и ионоселективные мембраны с применением постоянного электрического тока. Процесс электродеионизации осуществляется за счёт разности потенциалов постоянного напряжения, которое присутствует по обе стороны мембраны, заполненной ионообменной смолой. Рабочее давление 2 — 4 атм.

Мембранная дегазация — процесс, при котором происходит глубокое удаление растворенных газов из водных растворов. Удаление газов осуществляется за счет мембраны, сделанной из гидрофобного материала, при прохождении через которую растворенные газы поглощаются мембраной, а жидкость остается за её пределами. Промышленно развиты мембраны для удаления Углекислого газа (СО₂) и Кислорода (О₂) из воды.

Мембранная фильтрация воды и сточных вод

Эта статья была обновлена для ясности и удобства поиска 27 июля 2021 г. промышленная техническая вода. В последнее время трубчатые и спирально-мембранные установки стали использовать для фильтрации примесей из питьевой воды в регионах, где традиционная очистка оказывается неэкономичной.

Мембранная фильтрация под давлением

Несмотря на то, что существует ряд различных методов фильтрации, использующих мембранную технологию, наиболее зрелой является мембранная фильтрация под давлением. Мембранная фильтрация основана на проталкивании жидкости через фильтрующую мембрану с большой площадью поверхности. Существует четыре основных процесса мембранной фильтрации под давлением для разделения жидкостей. Это в порядке возрастания размера частиц, которые можно отделить: обратный осмос, нанофильтрация, ультрафильтрация и микрофильтрация.

Использование обратного осмоса хорошо зарекомендовало себя для опреснения питьевой воды и производства деионизированной воды для технологических нужд. Ультрафильтрация и микрофильтрация, которые, в отличие от обратного осмоса и нанофильтрации, используют пористые мембраны, в настоящее время становятся все более распространенными при очистке воды и сточных вод.

PCI Membrane Systems (PCI MS), базирующаяся в Хэмпшире, Англия, установила ряд мембранных установок в Великобритании и за рубежом как для промышленного, так и для муниципального использования. Стив Моррис, менеджер по развитию бизнеса PCI MS, объясняет основные принципы мембранной фильтрации: «В своей простейшей форме мембрана используется для разделения воды или технологической жидкости на две части: ретентат, или концентрат, и пермеат, или фильтрат». В зависимости от желаемого разделения мембраны можно использовать либо для улавливания нежелательных примесей, либо для концентрирования материалов.

Повторное использование питательной воды является важным фактором в ряде непрерывных процессов, таких как производство целлюлозы и бумаги. Восстановление сырья также становится серьезной проблемой. В ведущей химической компании в Ливерпуле была спроектирована и установлена мембранная установка для извлечения алифатического соединения из сточных вод. Извлеченный продукт рециркулируется обратно в технологический поток, при этом показатель CoD образующихся сточных вод значительно снижается.

В зависимости от применения мембраны устанавливаются внутри корпуса из нержавеющей стали или легкого АБС-пластика, как в случае нового модуля ультрафильтрации C10. C10 имеет большую площадь мембраны, чем доступная ранее, что делает использование трубчатой ультрафильтрации более экономически выгодным, чем раньше. В водном хозяйстве преимущества трубчатых мембран хорошо известны.

Простота эксплуатации, минимальное техническое обслуживание, отказ от предварительной фильтрации и возможность самоочищения мембран — все это факторы, побудившие процесс Файн к внедрению в отдаленных районах Шотландии. Процесс Файна удаляет растворенные органические вещества из питьевой воды.

Трубчатая мембранная фильтрация по сравнению со спирально-навитой мембраной

Трубчатая мембранная фильтрация является первым выбором для применений с высоким содержанием твердых частиц, вязких жидкостей или там, где возникают проблемы с очисткой и техническим обслуживанием. Для систем водоснабжения и водоотведения с более высокой пропускной способностью иногда предпочтительнее другой тип конфигурации мембраны. Спирально-навитые мембраны обеспечивают более высокую плотность упаковки, чем трубчатые, и в некоторых случаях являются более экономичной альтернативой. Однако предварительная фильтрация необходима, поскольку небольшое пространство между слоями в спирали может легко забиться взвешенными твердыми частицами. Мембраны со спиральной намоткой могут использоваться во всем спектре фильтрации.

В Шотландии спиральные мембраны также используются на заводах Fyne Process, где требуется высокая производительность и возможность самоочистки трубчатых блоков не является проблемой, как в случае с Буннессан на острове Малл. В других областях муниципальной очистки, таких как дезинфекция, доступны системы, использующие микрофильтрационные мембраны из полых волокон. Эта область промышленности становится все более важной.

Мембранная фильтрация выполняет две задачи, описанные Стивом Моррисом из PCI MS. С одной стороны, их можно использовать для концентрирования или извлечения ценного материала, в то время как технологическая вода проходит через мембрану. Кроме того, они эффективно удаляют загрязняющие вещества из потоков сточных вод, позволяя повторно использовать воду в процессе или сбрасывать ее в канализацию или реку.

Advertisement

Ультрафильтрация и микрофильтрация

Ультрафильтрация, которая обычно работает при давлении от 5 до 15 бар, широко используется в процессах химического разделения, поскольку она может разделять виды в соответствии с размером молекул. Однако микрофильтрация разделяет по размеру частиц.

Разработаны органические мембраны для очистки потоков с высоким содержанием растворителя или с широким диапазоном pH. В некоторых случаях для ультрафильтрации не подходят органические мембраны, и используются микрофильтрационные и керамические мембраны. Хотя капитальные затраты обычно выше, срок службы мембраны часто больше, чем у мембраны из органического материала.

Из-за разнообразия применений как в промышленной, так и в муниципальной фильтрации воды доступны консультационные услуги, которые помогут оценить целесообразность использования мембран, выбрав наиболее подходящий тип мембраны в каждом конкретном случае. Необходимо учитывать материал мембраны, геометрию и конструкцию корпуса. Испытание пилотной установки часто необходимо до завершения проектирования и проектирования установки. Аренда пилотных установок на короткие периоды времени для проведения опытно-конструкторских работ на месте является экономичным способом разработки мембранного процесса.

Мембраны для муниципальной очистки воды и сточных вод

Что касается технологии мембранной очистки воды, то в настоящее время существует четыре различных типа мембран, три из которых часто используются для очистки муниципальной воды и сточных вод.

Четыре типа мембран
Первые две классификации относятся к микрофильтрации и ультрафильтрации. В процессах микрофильтрации и ультрафильтрации используются мембраны низкого давления, либо погруженные в аэротенки, либо с использованием вакуумной системы; или в мембранных установках с внешним давлением для удаления взвешенных твердых частиц. В последнем случае они могут заменить вторичные отстойники и третичные фильтры.

Микрофильтрация способна отделять частицы от воды до субмикронных и коллоидных размеров. Он часто используется перед системами обратного осмоса, которые удаляют растворимые вещества из питательной воды. Ультрафильтрация способна удалять даже более мелкие частицы, включая вирусы.

Столичный округ по мелиорации воды в Большом Чикаго ищет дальновидного исполнительного директора. Район является отмеченным наградами агентством по очистке сточных вод, которое уже более 120 лет является лидером в области защиты водной среды Чикаго. Для информации и до подать заявку, нажмите здесь или свяжитесь с [email protected] . Округ является работодателем с равными возможностями.

По словам Питера Картрайта, президента Cartwright Consulting, существуют разные мнения относительно определения микрофильтрации и ультрафильтрации. «Некоторые люди в отрасли основывают его на молекулярном отсечении, но я определяю его на основе функции. Например, если вашей целью является удаление взвешенных веществ, используйте приложения для микрофильтрации. Однако если ваша цель — удалить растворенные микромолекулы [растворенные органические молекулы], используйте ультрафильтрацию».

Мембраны третьего типа используют нанофильтрацию, процесс мембранной фильтрации, который чаще всего используется для воды с низким содержанием растворенных твердых частиц, такой как поверхностные и пресные подземные воды, с целью ее смягчения. Мембраны нанофильтрации имеют меньший размер пор, чем те, которые используются в микрофильтрации и ультрафильтрации, и в основном используются в промышленности (химическая, фармацевтическая и т. д.) и редко для очистки муниципальной воды или сточных вод.

Присоединяйтесь к нам в Атланте 18–22 августа 2019 г.для StormCon, пятидневного специального мероприятия, на котором можно получить знания от экспертов в различных областях, связанных с водой . Делитесь идеями с коллегами в своей области и разных отраслях, изучая новые методы и технологии управления ливневыми стоками. Нажмите здесь, чтобы узнать подробности

В четвертом типе, обратном осмосе, используется полупроницаемая мембрана для удаления ионов, молекул и более крупных частиц из воды, предназначенной для питья или приготовления пищи. Кроме того, дождевая вода, собранная из ливневых стоков, часто очищается мембранами обратного осмоса для использования в качестве ландшафтного орошения и промышленного охлаждения.

«Поскольку набор мембранных технологий муниципальных сточных вод — все они представляют собой технологии мембранного разделения с поперечным потоком и давлением — настолько разнообразны по своим возможностям, вы обычно используете по крайней мере две технологии в каждом проекте», — говорит Картрайт. И для большинства применений очистки сточных вод микрофильтрация и ультрафильтрация являются двумя наиболее распространенными.

Развитие технологии
«Конечно, за последние несколько десятилетий мембраны стали очень важными для очистки воды и сточных вод, потому что они очень эффективны и требуют небольшой площади», — говорит Пушпиндер Пури, президент PuriMem LLC. , которая предлагает консультационные услуги по мембранным технологиям, технологическим исследованиям и разработкам, а также инновационным процессам. Услуги, связанные с мембранной технологией, включают микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию, обратный осмос, опреснение, мембранные биореакторы и другие технологии очистки сточных вод. «Однако, несмотря на то, как быстро развиваются технологии, использование передовых мембранных технологий растет не так быстро, как могло бы, в первую очередь потому, что многие муниципалитеты в Соединенных Штатах не имеют финансовых ресурсов для инвестирования в эти новые технологии. ».

Однако в Европе, по словам Пури, инфраструктура меняется гораздо быстрее. «В Европе, например, вместо септиков для индивидуальных домохозяйств используют мембранные биореакторы», — говорит он. «Европа всегда немного опережала США, когда речь шла об экологическом регулировании. Это связано с тем, что города и даже сельские районы в Европе более перегружены, в то время как в большинстве районов США много земли и воды».

Согласно отчету за июнь 2016 г. «Исследование мирового рынка мембранной сепарации: сегмент воды и сточных вод продемонстрирует самый высокий рост к 2019 г.», опубликованном Persistence Market Research, глобальный рынок мембранной сепарации (который включает в себя микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и обратный осмос) оценивался в 19 миллиардов долларов в 2012 году и, как ожидается, достигнет 39,2 миллиарда долларов к 2019 году, совокупный годовой темп роста ( среднегодовой темп роста) 10,8%. Ожидаемый рост будет результатом ужесточения обязательных государственных постановлений, таких как Закон о чистой воде; переход от химической обработки, которая считается неблагоприятной для окружающей среды, к физической обработке; и растущий спрос на чистую обработанную питьевую воду во всем мире. И, согласно отчету, микрофильтрация доминирует на рынке с долей более 35% мирового рынка в 2012 г.

В другом отчете за июнь 2016 г. «Рынок мембран США по типам, по применению, прогнозу конкуренции и возможностям, 2011–2021 гг. », опубликованном TechSci Research, прогнозируется, что внутренний рынок мембран будет расти в среднем на 8%. с 2016 по 2021 год. В 2015 году на долю микрофильтрации приходилось наибольшая доля доходов на рынке мембран США. Одной из причин ожидаемого роста является увеличение государственных расходов на установку и модернизацию водоочистных сооружений и водоочистных сооружений с целью обеспечения чистой водой населения и окружающей среды. В частности, рынок очистки муниципальных сточных вод США составил 7,9 долл. США.миллиардов в 2014 году и, как ожидается, достигнет 8,4 миллиардов долларов к 2017 году. «Ожидается, что рост спроса на мембраны обратного осмоса будет расти самыми быстрыми темпами в период с 2016 по 2021 год из-за более широкого внедрения технологии фильтрации на основе обратного осмоса в различных областях применения. », — говорит Каран Чечи, директор по исследованиям TechSci Research. «Установка мембран обратного осмоса для очистки воды и сточных вод также демонстрирует устойчивый рост за последние пять лет, и ожидается, что эта тенденция сохранится в течение следующих пяти лет».

Установка мембран OV960

В отчете о мировых рынках мембран для микрофильтрации за январь 2016 г., опубликованном BCC Research, который регулярно публикует отчеты о мембранах, говорится, что глобальные рынки мембран для микрофильтрации, которые в 2015 г. увеличиться до 2,6 млрд долларов за пять лет. Хотя большая часть текущего использования и роста приходится на промышленные предприятия (в частности, биотехнологии, биопереработка и фармацевтика), ожидается, что сегмент питьевой воды вырастет с 334 млн долларов в 2015 году до 474 млн долларов в 2020 году9.0005

Технология мембранного биореактора
Хотя четыре типа водных мембран существуют уже довольно давно, технология, привлекающая наибольшее внимание в наши дни, — это технология мембранного биореактора (MBR). Хотя впервые эта технология была представлена в конце 1960-х годов, в последние годы она становится все более популярной. МБР представляет собой комбинацию мембранного процесса, такого как микрофильтрация и ультрафильтрация, с биореактором с взвешенным ростом, который способен производить сточные воды достаточно высокого качества для сброса в прибрежные или поверхностные водоемы, а также для повторного использования для городского орошения.

Мембраны могут быть разработаны и использоваться в небольших помещениях и обеспечивают высокую эффективность удаления загрязняющих веществ, таких как азот, фосфор, бактерии, биохимическое потребление кислорода (БПК) и общее количество взвешенных твердых частиц. Система мембранной фильтрации может заменить вторичный отстойник и песчаные фильтры в традиционной системе обработки активного ила.

Технология MBR приобрела популярность за последнее десятилетие по ряду причин, включая малые габариты, постоянную доступность (цены снижаются по мере роста эффективности) и простоту модернизации для модернизации существующих очистных сооружений.

Популярность технологии также является результатом увеличения потребности в воде, как с точки зрения объема воды, необходимой во всем мире, так и экологических норм, требующих повышения чистоты воды.

Кроме того, с точки зрения повышения энергоэффективности технология MBR становится более привлекательной, поскольку системы могут перерабатывать больше воды, используя меньше энергии, чем другие традиционные системы.

«Технология MBR включает в себя микрофильтрационные или ультрафильтрационные мембраны, которые разработаны специально для удаления взвешенных твердых частиц, биохимической потребности в кислороде и фекальных колиформных бактерий из очищенных сточных вод», — говорит Картрайт. «Затем следует обратный осмос, а затем технология дезинфекции, такая как расширенное окисление — популярные из них — ультрафиолетовое излучение и перекись водорода — для проведения дезинфекции».

Ультрафиолетовый свет защищает от вредных микроорганизмов, не ухудшая вкус, цвет или запах воды. Ультрафиолетовый свет можно использовать отдельно или в сочетании с перекисью водорода для уничтожения пестицидов, соединений со вкусом и запахом, фармацевтических препаратов, токсинов водорослей и промышленных загрязнителей, которые могут быть обнаружены в воде.

«Этот процесс позволяет производить питьевую воду, — говорит Картрайт. «В некоторых случаях, однако, есть некоторые настройки. Например, система может включать предварительную ультрафильтрацию для защиты микрофильтрационной мембраны и ультрафильтрационной мембраны. А в некоторых случаях рН повышают, чтобы сделать питьевую воду менее агрессивной».

По словам Картрайта, если целью является удаление взвешенных твердых частиц, применение микрофильтрации имеет смысл. Однако если целью является удаление растворенных микромолекул (растворенных органических молекул), то имеет смысл использовать ультрафильтрацию. «На самом деле, поскольку некоторые из бактерий могут быть очень и очень маленькими, основная часть мембран МБР представляет собой ультрафильтрацию», — говорит он.

Существует несколько конфигураций МБР для микрофильтрационных и ультрафильтрационных мембран. Двумя основными, по Картрайту, являются пластинчато-каркасные и половолоконные, каждый из которых имеет сильные и слабые стороны.

Плитно-каркасные мембраны обычно представляют собой тонкие круглые мембранные поверхности с плоским и пленочным композитным листом. Тонкая кожа опирается на более толстый слой с более крупными порами.

Мембраны из полых волокон состоят из набора самонесущих волокон, часто до 10 000 волокон, с плотными слоями, разделяющими кожу. Одним из преимуществ половолоконной мембраны является очень большая площадь поверхности в замкнутом объеме, что повышает эффективность процесса разделения.

«Типичный МБР представляет собой погруженную в очистной резервуар пластинчато-рамную мембрану или мембрану из полого волокна, но это не является обязательным требованием», — говорит Картрайт. Кроме того, по его словам, многие производители выпускают гибридные конфигурации, сочетающие пластинчато-каркасные и половолоконные мембраны.

Существуют две другие конфигурации мембран МБР, помимо пластинчато-каркасной и половолоконной. Одна спиральная (какими являются практически все мембраны обратного осмоса), а другая трубчатая. «Они не так широко используются для MBR, но, безусловно, возможны», — говорит Картрайт.

Мембраны со спиральной навивкой представляют собой гофрированную мембрану, свернутую вокруг перфорированного проницаемого ядра, подобно спирали, помещенной в сосуд высокого давления.

Трубчатые мембраны состоят из напорной трубы и гидравлических дисков, удерживаемых на месте центральным натяжным стержнем и мембранными подушками, расположенными между двумя дисками.

«При таком большом количестве доступных конфигураций перед проектировщиком муниципальной очистной системы стоит задача выбрать подходящую конфигурацию, а затем определить, какой производитель предлагает наилучшую конструкцию системы», — говорит Картрайт. «Это всегда требует пилотных испытаний».

Кроме того, согласно Картрайту, можно разработать систему MBR, не называя ее MBR. «Вы можете взять вторично очищенные стоки с муниципальных очистных сооружений, пропустить их через трубчатую ультрафильтрационную мембрану, направить концентрат обратно в резервуар для очистки, а затем переместить его дальше по линии обратного осмоса и дезинфекции», — говорит он. «Это настоящий МБР? Это своего рода серая зона с точки зрения того, что вы называете, но вы все еще используете мембраны для предварительной обработки».

Одной из компаний, предлагающих технологию MBR, является Ovivo Water. «Наша группа занимается очисткой сточных вод, — говорит Майк Снодграсс, руководитель отдела мембранных технологий группы Ovivo MBR. «Муниципальные очистные сооружения пытаются достичь определенных целей в области устойчивого развития, таких как сохранение воды за счет повторного использования воды, минимизация потребления энергии, восстановление ресурсов и питательных веществ и так далее», — говорит он. «Эти цели вызывают большой интерес к мембранной технологии».

Цель производителей мембран в наши дни, по словам Снодграсса, состоит в том, чтобы создавать лучшие мембраны, чтобы помочь муниципалитетам в достижении этих целей. Два года назад Ovivo начала работать с MICRODYN-NADIR в Германии и теперь использует исключительно их мембранную технологию в своих МБР. MICRODYN-NADIR предлагает плоские, спирально-навитые, половолоконные и трубчатые мембраны. «Мы выбрали их, потому что они обладают превосходной операционной эффективностью и экономичностью с точки зрения энергопотребления, срока службы мембраны и качества сточных вод», — говорит он. Мембраны могут использоваться для очистки сточных вод после биологической очистки, предварительной обработки обратным осмосом (например, для опреснения морской воды), очистки ливневых вод, фильтрации питьевой воды и других применений.

«С точки зрения будущего, энергия по-прежнему находится в центре внимания систем MBR, таких как использование процессов очистки воздуха — использование аэрозолей через мембраны для поддержания их чистоты во время работы — для увеличения потребления энергии. вниз, — говорит Снодграсс. «Недавно мы внедрили различные типы воздухораспределителей, уникальные для отрасли MBR, с использованием технологии AEROSTRIP из Австрии, которая повышает эффективность за счет снижения общего энергопотребления». Диффузоры AEROSTRIP обеспечивают эффективные процессы аэрации, что может снизить эксплуатационные расходы очистных сооружений.

Вид на завод по переработке сточных вод Раннинг-Спрингс

Одним из довольных клиентов технологии MBR компании Ovivo является район Раннинг-Спрингс-Уотер в Раннинг-Спрингс, Калифорния. В 1999 г. Лесная служба США сообщила округу о необходимости модернизации существующей установки по очистке сточных вод с использованием обычного активного ила (CAS). «Место, где мы сбрасывали наши сточные воды, находилось на земле Лесной службы, и Лесная служба наблюдает за нашим специальным разрешением на сброс воды», — говорит Тревор Миллер, начальник отдела очистки сточных вод. «Они хотели воды лучшего качества. Мы поняли, что единственный способ удалить питательные вещества, в котором мы нуждались, — это МБР».

Итак, в 2003 году округ перешел с системы CAS на технологию MBR Ovivo. Завод был переведен с процесса очистки только по БПК на первый в США МБР с улучшенным биологическим удалением фосфора (EBPR). EBPR — это конфигурация очистки сточных вод, применяемая в системах с активным илом для удаления фосфатов. Реализации EBPR включают наличие анаэробного резервуара перед аэротенком.

Система МБР Ovivo включает запатентованную конструкцию, объединяющую одновременную нитрификацию и денитрификацию (SNdN) в зонах МБР. Твердые биологические отходы впоследствии были сгущены, переварены и обезвожены перед повторным использованием в Мекке, Калифорния.

После модернизации завод был дополнительно модернизирован за счет установки турбовентиляторов и более эффективных мембранных блоков, что значительно снизило счета за электроэнергию.

Недавно район заменил свою систему MBR на более новую от Ovivo. «Срок службы оригинальных MBR составлял 10 лет, а в 2015 году мы достигли 12 лет», — говорит Миллер. «Простыни начали выходить из строя. Одним из вариантов была замена всех пластин в существующих 15 SMU, в каждой из которых было по 300 пластин, то есть 4500 пластин по цене 70 долларов за пластину плюс потребляемая ими энергия». Вместо этого округ принял решение заменить их полностью, так как за последние 12 лет технология совершенствовалась как на дрожжах, в том числе повысилась энергоэффективность.

В частности, округ выбрал пять новых погружных мембранных блоков Ovivo OV960 (SMU). Ожидаемый срок службы этих OV960 составляет 10 лет. SMU OV960 на самом деле являются результатом объединения двух SMU нового типа Ovivo OV480, которые будут производить более высокие потоки пермеата при меньшем энергопотреблении.

OV480 — это технология плоского листа, состоящая из четырех кассет. Каждая кассета содержит 25 листов общей площади мембраны 1076 квадратных футов. Листы устойчивы к повреждениям и засорению. Кассеты установлены на корпусе из нержавеющей стали, оснащенном диффузорами AEROSTRIP.

Running Springs MBR в работе

«Две установки OV480, установленные друг на друга для создания OV960, являются первой установкой такого рода, поэтому были проведены некоторые испытания и тесты, но ни в одном из них не использовались сами мембраны», — говорит Миллер. «Они работали нормально». Установки работают с мая 2016 года и оправдывают ожидания. «Они используют половину энергии старых», — говорит он. Ожидается, что они окупятся за три года, сэкономив около 500 000 долларов за 10 лет.

Будущее мембран
По словам Картрайта, маловероятно, что «основные четыре» типа мембран (микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос) будут заменены в ближайшее время. «Однако, конечно, в каждой из этих четырех технологий могут быть некоторые постепенные улучшения», — говорит он.

Тем не менее, добавляет он, существует ряд текущих академических разработок в области мембранных технологий, таких как графен, которые, как утверждается, обладают потенциалом. «Однако они все еще находятся в лаборатории», — добавляет он.

Каковы возможности графеновых мембран? Оксид графена — это материал на основе углерода, изготовленный из встречающегося в природе графита (того же материала, что и карандаши). Это двумерная сетка атомов углерода, расположенных в виде сотовой решетки. Графен настолько тонкий, что для изготовления листа толщиной 1 мм требуется три миллиона слоев, что позволит воде очень быстро течь между сложенными листами графена с очень небольшим трением. Графен считается самым легким, самым прочным, самым тонким и лучшим из когда-либо обнаруженных материалов, проводящих тепло и электричество.

С точки зрения потенциального использования, в частности для очистки воды, особый интерес представляет «гидрофобия» графена. То есть графен естественным образом отталкивает воду. Однако, когда в графеновых листах создаются микропоры, допускается быстрое проникновение воды, что наводит исследователей на мысль, что графен можно использовать для фильтрации и опреснения воды, как только технология для создания этих микропор станет доступной, поскольку микропоры пропускает молекулы воды, но блокирует прохождение загрязняющих веществ и других веществ.