Мембранные технологии в водоподготовке и доочистке

Принципы мембранной фильтрации и классификация процессов

Мембранная фильтрация представляет собой процесс разделения водных растворов под действием приложенного давления через полупроницаемую перегородку с заданным размером пор. Исходная вода при прохождении через мембрану разделяется на два потока: фильтрат, или пермеат, содержащий очищенную воду, и концентрат, в котором сосредоточены задержанные мембраной примеси. Принципиальное отличие мембранных методов от традиционных накопительных систем очистки заключается в том, что мембрана не накапливает загрязнения внутри своей структуры, а задерживает их на поверхности, что исключает вероятность вторичного загрязнения очищенной воды.

Баромембранные процессы классифицируются по размеру пор мембран и соответствующей им селективности. Микрофильтрация работает с порами от 0,1 до 1,0 мкм и эффективно задерживает взвешенные частицы, коллоидные примеси и крупные бактерии при рабочем давлении до 0,3 МПа. Ультрафильтрационные мембраны с размером пор 0,01-0,1 мкм способны удалять высокомолекулярные органические соединения, вирусы и практически все микроорганизмы, требуя давления от 0,2 до 0,7 МПа. Нанофильтрация с порами около 0,001 мкм занимает промежуточное положение между ультрафильтрацией и обратным осмосом, селективно удаляя двухвалентные ионы и органические молекулы при давлении 0,5-2,0 МПа. Обратноосмотические мембраны с минимальным размером пор около 0,0001 мкм обеспечивают практически полное обессоливание воды, задерживая до 99% растворенных солей при рабочем давлении от 1,5 до 8,0 МПа в зависимости от солесодержания исходной воды.

Выбор типа мембранной технологии определяется составом исходной воды и требованиями к качеству очищенной воды. При высокой мутности и содержании взвешенных веществ применяется микрофильтрация как самостоятельный метод или предварительная ступень перед более тонкой очисткой. Когда необходимо удаление органических соединений, придающих воде цветность и запах, ультрафильтрация становится оптимальным решением. Для глубокого обессоливания воды, требуемого в энергетике и фармацевтической промышленности, применяется обратный осмос, часто в двухступенчатой конфигурации для достижения удельной электропроводности пермеата на уровне 1-5 мкСм/см.

Применение мембранных технологий в промышленной водоподготовке

Энергетические предприятия предъявляют особенно жесткие требования к качеству питательной воды котлов и парогенераторов. Традиционные методы ионного обмена требуют значительных площадей для размещения оборудования и реагентного хозяйства, создают проблему утилизации больших объемов регенерационных стоков. Внедрение мембранных установок на теплоэлектроцентралях позволяет кардинально изменить подход к водоподготовке. Казанская ТЭЦ-2 стала первой в России станцией, где была введена в эксплуатацию установка подпитки теплосети производительностью 300 м³/ч на базе микрофильтрации, совмещенная со схемой обессоливания для подпитки энергетических котлов. Предварительная очистка исходной речной воды включает коагуляцию оксихлоридом алюминия с последующим удалением взвешенных веществ, железа и органических соединений на микрофильтрационных модулях. Осветленная вода затем подкисляется серной кислотой для перевода карбонатной жесткости в некарбонатную, проходит декарбонизацию и направляется на натрий-катионирование.

Установки обратного осмоса обеспечивают снижение минерализации питательной воды до требуемых значений, что особенно важно для современных котлов типа БЭМ 25/4 – 440 ГМ, для которых натрий-катионирование не может обеспечить необходимую глубину деминерализации. Двухступенчатый обратный осмос позволяет получать воду с удельной электропроводностью менее 2 мкСм/см, что соответствует требованиям к питанию парогенераторов АЭС и котлов высокого давления ТЭС.

В химической и фармацевтической промышленности мембранные технологии применяются для получения воды различной степени очистки. Производство лекарственных форм требует воды очищенной по ФС 2.2.020.15, что достигается применением ультрафильтрации с последующим обратным осмосом. Пищевая промышленность, особенно производство безалкогольных напитков и соков, использует комбинацию микро- и ультрафильтрации для удаления механических примесей и микроорганизмов без применения химических консервантов. Молочная промышленность применяет ультрафильтрацию для концентрирования белков и разделения сыворотки, получая продукты с заданными характеристиками при минимальном воздействии на их функциональные свойства.

Мембранная доочистка сточных вод: технологии и решения

Мембранные биореакторы представляют собой интеграцию традиционной биологической очистки активным илом с мембранным разделением на ультра- или микрофильтрационных мембранах. Технология МБР кардинально меняет принципы проектирования очистных сооружений, отказываясь от гравитационного разделения в пользу принудительной мембранной фильтрации. Концентрация активного ила в мембранных биореакторах может достигать 10-20 г/л, что в два-три раза выше, чем в традиционных аэротенках. Высокая концентрация биомассы увеличивает окислительную мощность реактора и сокращает время пребывания сточных вод, позволяя разместить очистные сооружения на ограниченных площадях.

Существуют две основные схемы компоновки мембранных биореакторов. В системах с напорной фильтрацией иловая смесь из аэротенка насосом подается на внешние мембранные модули, где происходит разделение на пермеат и концентрат, возвращаемый в биореактор. Более распространенная схема с погружными мембранами предполагает размещение модулей непосредственно в зоне аэробной очистки биореактора. Движущей силой процесса выступает вакуум со стороны пермеата, создаваемый насосом производительностью, соответствующей требуемому расходу очищенной воды. Половолоконные мембраны погружного типа работают в режиме циклической фильтрации с периодами рабочей фильтрации, покоя и обратной промывки. Продолжительность цикла фильтрации для муниципальных сточных вод обычно составляет 10-12 минут, из которых 8-9 минут приходится на фильтрацию и 1-2 минуты на обратную промывку пермеатом с одновременной аэрацией мембраны.

Применение МБР обеспечивает полное задержание взвешенных веществ и микроорганизмов, что гарантирует стабильное качество очищенной воды независимо от колебаний нагрузки. Пермеат после ультрафильтрационных мембран практически не содержит бактерий и вирусов, что позволяет отказаться от химического обеззараживания гипохлоритом натрия. Очищенные сточные воды соответствуют нормативам сброса в водоемы рыбохозяйственного значения без дополнительных блоков доочистки, что было невозможно достичь в традиционных схемах с вторичными отстойниками и песчаными фильтрами. Медицинские учреждения, фармацевтические предприятия, объекты пищевой промышленности все чаще выбирают технологию МБР как наиболее надежное решение для очистки специфических стоков.

Для промышленных стоков с высоким содержанием органических загрязнений применяются комбинированные схемы с несколькими стадиями мембранного разделения. После биологической очистки в МБР стоки могут направляться на нанофильтрацию или обратный осмос для глубокого удаления растворенных органических соединений и солей. Такая схема позволяет организовать оборотное водоснабжение, возвращая очищенную воду на технологические нужды предприятия. Концентрат, образующийся при мембранной доочистке, требует дополнительной обработки методами выпаривания или реагентной обработки перед сбросом или утилизацией.

Конструктивные решения и компоновка мембранных установок

Выбор типа мембранного модуля определяется характером загрязнений исходной воды и требуемой производительностью установки. Рулонные элементы типоразмеров 4040 и 8040 доминируют в установках обратного осмоса и нанофильтрации благодаря высокой удельной площади мембраны на единицу объема и относительно низкой стоимости. Мембранная поверхность в рулонных элементах представляет собой плоские листы, намотанные на перфорированную центральную трубу-коллектор. Исходная вода движется по спейсеру между листами мембраны, пермеат проникает через активный слой и по дренажному материалу поступает в центральную трубу. Рулонные элементы требуют качественной предочистки воды от взвешенных веществ, так как спейсер может забиваться, вызывая рост перепада давления и снижение производительности.

Половолоконные мембраны представляют собой пучок тысяч полых волокон диаметром около 1 мм, загерметизированных в корпусе. Размер пор мембран позволяет задерживать бактерии, размер которых начинается от 0,2-0,3 мкм. Половолоконные модули более устойчивы к механическим загрязнениям благодаря возможности эффективной обратной промывки. В погружных мембранах для МБР волокна работают под разрежением с внутренней стороны, а снаружи омываются иловой смесью. Периодическая аэрация мембраны воздухом создает турбулентность, препятствующую отложению ила на поверхности волокон. Срок службы половолоконных мембран в системах МБР составляет 5-7 лет при соблюдении регламентов химической промывки, что значительно превышает частоту замены загрузки песчаных фильтров в традиционных схемах.

Трубчатые мембраны изготавливаются в виде трубок диаметром от 5 до 25 мм с активным слоем на внутренней поверхности. Конструкция обеспечивает высокую устойчивость к механическим и химическим воздействиям, позволяя обрабатывать высокозагрязненные среды. Применение трубчатых мембран оправдано при очистке промышленных стоков с высоким содержанием масел, жиров и взвешенных веществ. Недостатком является низкая удельная площадь фильтрации и высокая стоимость установки, что ограничивает их применение специальными задачами, где другие типы мембран неэффективны.

Плоскорамные модули состоят из нескольких плоских мембранных листов, установленных в рамки и собранных в пакет. Конструкция обеспечивает простоту замены отдельных мембранных элементов и эффективную промывку. Плоскорамные мембраны применяются преимущественно в лабораторных установках и специализированных технологических процессах пищевой промышленности, где требуется частая разборка оборудования для санитарной обработки.

Компоновка промышленных мембранных установок предусматривает систему предварительной подготовки воды, включающую механическую фильтрацию, удаление свободного хлора и регулирование pH. Дозирование антискалянтов предотвращает отложение малорастворимых солей на поверхности мембран при концентрировании исходной воды. Современные блоки управления обеспечивают полную автоматизацию процесса с контролем производительности, качества пермеата, перепада давления и других параметров. Система защиты останавливает установку при выходе параметров за допустимые пределы, предотвращая повреждение мембранных элементов.

Эксплуатация мембранных систем: регенерация, промывка и продление срока службы

Загрязнение мембран представляет собой основную эксплуатационную проблему, снижающую производительность установок и ухудшающую качество очистки. Кольматаж, или физическое забивание пор мембраны взвешенными и коллоидными частицами, развивается при недостаточной предочистке воды. Биологическое обрастание формируется при размножении микроорганизмов на поверхности мембраны с образованием биопленки. Отложение солей, или скейлинг, происходит при превышении предела растворимости карбонатов, сульфатов и фосфатов кальция, магния, бария и стронция в концентрате. Органическое загрязнение вызывается адсорбцией на мембране гуминовых веществ, масел, жиров и других органических соединений.

Обратная промывка представляет собой физический метод очистки мембран от накопившихся на поверхности загрязнений. Очищенная вода под давлением пропускается через мембрану в обратном направлении, смывая осадок в дренаж. Половолоконные мембраны в системах ультрафильтрации промываются каждые 30-60 минут с использованием 5-10% производительности на промывку. Продолжительность обратной промывки составляет от 30 секунд до 2 минут в зависимости от характера загрязнений. Аэрация мембраны воздухом усиливает эффект промывки за счет создания турбулентности и механического отрыва частиц от поверхности. Регулярная обратная промывка поддерживает производительность мембран на стабильном уровне и продлевает интервал между химическими регенерациями.

Химическая промывка проводится при снижении производительности на 15-25% от начальной, увеличении перепада давления или ухудшении качества пермеата на 15-20%. Выбор моющих реагентов зависит от природы загрязнений. Кислотные растворы на основе лимонной, соляной или азотной кислоты с pH 2-3 эффективно удаляют отложения карбонатов, сульфатов, фосфатов и оксидов металлов. Щелочные растворы с pH 11-12 на основе гидроксида натрия с добавлением поверхностно-активных веществ растворяют органические загрязнения, биопленку и кремниевые отложения. Биоцидная обработка растворами перекиси водорода или хлорсодержащих соединений подавляет развитие микроорганизмов и разрушает биопленку.

Процедура химической промывки выполняется с использованием специализированных станций, обеспечивающих циркуляцию моющего раствора через мембранные элементы при температуре 30-35°C и низком давлении. Эффективность регенерации резко снижается при температуре ниже 15°C из-за замедления химических реакций. Продолжительность промывки составляет от 30 минут до 2 часов для каждого типа реагента. При разнородных загрязнениях применяется последовательная обработка: сначала щелочная промывка для удаления органики и биопленки, затем кислотная для растворения минеральных отложений. Промежуточная промывка чистой водой между стадиями предотвращает нежелательные химические реакции между реагентами. Своевременная химическая регенерация восстанавливает характеристики мембран и продлевает срок службы элементов до 3-5 лет при правильной эксплуатации.

Экономическая эффективность и перспективы развития мембранных технологий

Капитальные затраты на мембранные установки складываются из стоимости мембранных элементов, корпусов высокого давления, насосного оборудования, систем предочистки и автоматики. За последние десять лет стоимость мембранной очистки снизилась в несколько раз благодаря совершенствованию технологии производства мембран и росту конкуренции на рынке. Если ранее мембранные методы существенно превосходили по стоимости традиционные технологии, то сегодня они становятся экономически конкурентоспособными, а по некоторым показателям даже превосходят классические схемы водоподготовки и очистки сточных вод.

Эксплуатационные расходы включают затраты на электроэнергию для насосов высокого давления, замену мембранных элементов, реагенты для химической промывки и предварительной обработки воды. Энергопотребление мембранных установок обратного осмоса составляет от 0,5 до 3,0 кВт·ч на кубометр очищенной воды в зависимости от солесодержания исходной воды и степени извлечения пермеата. Современные энергосберегающие мембраны низкого давления позволяют снизить энергозатраты на 30-40% по сравнению с мембранами предыдущих поколений. Ультрафильтрация потребляет значительно меньше энергии благодаря низкому рабочему давлению, что делает её привлекательной для крупных муниципальных станций водоподготовки.

Российский рынок мембранных технологий долгое время зависел от импортного оборудования. Ведущие мировые производители мембран Filmtec, Toray, Hydranautics доминировали на рынке благодаря высоким техническим характеристикам своей продукции. Китайские производители Vontron и CSM предлагают более доступные по цене мембраны с приемлемыми эксплуатационными характеристиками, что сделало мембранные технологии доступными для широкого круга потребителей. В России композиционные неорганические мембраны «Трумем» на основе пористой металлической подложки с керамическим активным слоем производит, в частности, Ассоциация “Аспект”.. Потенциальная мощность производства составляет до 3000 м² в год. Керамические мембраны обладают высокой термостойкостью, устойчивостью к химическим и механическим воздействиям, но ограничены высокой стоимостью и применяются преимущественно в специальных областях.

Перспективы развития мембранных технологий связаны с созданием новых материалов с улучшенными характеристиками. Графеновые мембраны демонстрируют экспериментальную производительность в десятки раз выше традиционных полиамидных при сохранении высокой селективности. Нанокомпозитные мембраны с включением наночастиц серебра, титана или цинка обладают антибактериальными свойствами, снижая проблему биообрастания. Форвард-осмос как альтернативная технология использует осмотический градиент вместо приложенного давления, что может радикально снизить энергозатраты при обессоливании воды. Развитие отечественного производства мембран и оборудования в рамках программ импортозамещения постепенно снижает зависимость от зарубежных поставщиков и делает современные технологии водоочистки доступными для российских предприятий.