12.3. Конструирование и расчет мембранных установок ультрафильтрации
Большинство схем ультрафильтрационных установок содержат следующие основные элементы: насосы исходной воды, блок мембранных аппаратов, накопительные емкости, насосы раздачи воды потребителю; циркуляционные насосы с линией рецикла, систему автоматических задвижек, контрольно-измерительные приборы и автоматику. Для защиты мембранных элементов от засорения грубодисперсными примесями перед ними размещают различные фильтры предочистки с размером пор 50–200 мкм. Это могут быть крупнозернистые или сетчатые фильтры. Мембранные аппараты, за исключением фильтропрессных и безкорпусных, помещаются в напорные корпуса цилиндрической формы. В зависимости от дизайна установки мембранные элементы располагаются рядами вертикально или горизонтально (рис. 12.6 и 12.7). При использовании водовоздушной промывки выбирают вертикальное размещение мембранных аппаратов. Схемы установок ультрафильтрации показаны на рис. 12.8.
Эксплуатация систем очистки ведется в трех различных режимах: при постоянной величине трансмембранного давления, при постоянном потоке через мембрану, при переменном давлении и потоке. Промывка мембранных аппаратов ведется обратным током очищенной воды с помощью промывных насосов и задвижек с электроприводом.
Рис. 12.6. Внешний вид и компоновка мембранного ультрафильтрационного блока с горизонтально расположенными мембранами в напорных корпусах: 1 – мембранные аппараты; 2 – рама; 3 – трубопровод очищенной воды; 4 – трубопровод исходной воды; 5 – промывной насос; 6 – подающий насос; 7 – задвижки с электроприводом
Рис. 12.7. Пример внешнего вида мембранного ультрафильтрационного блока производительностью 150 м3/ч: 1 – рама; 2 – мембранный аппарат в корпусе; 3 – распределительный трубопровод исходной воды; 4 – коллектор сбора фильтрата; 5 – подающий насос; 6 – промывной бак; 7–10 – задвижки с электроприводом
Рис. 12.8. Схема устройства ультрафильтрационной установки для очистки поверхностных вод: 1 – бак исходной воды; 2 – насос подачи исходной воды; 3 – ультрафильтрационный аппарат; 4 – бак чистой воды; 5 – насос подачи воды на промывку; 6–9 – задвижки с электроприводом (6 – подачи очищенной воды; 7 – подачи исходной воды; 8 – подачи фильтрата на обратную промывку; 9 – сброса промывной воды в канализацию); 10 – бак химической промывки; 11 – насос для химической промывки; 12 – задвижки (краны); 13 – насос – дозатор коагулянта; 14 – расходный бак коагулянта; 15 – насос – дозатор подачи бактерицидного препарата; 16 – расходный бак дезинфицирующего препарата
Основной задачей при разработке и эксплуатации мембранных ультрафильтрационных установок является прогнозирование снижения производительности мембран с течением времени и выбор оптимальных параметров работы для достижения максимальной полезной производительности.
В процессе обработки воды, содержащей коллоидные и взвешенные вещества, происходит забивание пор ультрафильтрационных мембран и на их поверхности образуется слой осадка. В результате общее сопротивление фильтрационной системы возрастает, а производительность мембранного аппарата падает. Для восстановления начальной производительности мембраны периодически промывают обратным током фильтрата. При обратной промывке большая часть загрязнений удаляется, а оставшаяся часть загрязнений приводит к медленному падению производительности в процессе эксплуатации очистной установки. Для полного восстановления исходной производительности и удаления всех загрязнений, осевших на мембране, используют интенсивные гидравлические и химические промывки мембран. Частота таких промывок может колебаться от нескольких раз в год до 1–2 раз в месяц.
Для рационального использования ультрафильтрационной системы очистки воды необходимо выбрать такие параметры процесса фильтрования и гидравлической промывки, при которых полезная производительность системы будет максимальной, а капитальные и эксплуатационные затраты – минимальными. Для этого расход очищенной воды на промывку должен быть низким, а интервалы между химическими промывками – большими.
Стабильной работы установок добиваются путем дозирования оксидантов при обратной промывке или добавлением активированного угля в исходную воду. Для снижения частоты химических промывок используют автоматические системы контроля, которые в зависимости от мутности исходной воды и перепада давления на мембранных аппаратах регулируют по заданному алгоритму режим работы установки – поток через мембраны, частоту и длительность обратных промывок.
Эффективность обратной промывки зависит от состава исходной воды, интенсивности промывки (давления и длительности обратной промывки) и интервала между промывками (продолжительность фильтроцикла). Исследования по оптимизации ставят целью определить наиболее оптимальные величины продолжительностей фильтроцикла и промывки для различного состава обрабатываемой воды. Значения вышеупомянутых параметров должны соответствовать наибольшему количеству очищенной воды, полученной в течение заданного времени, которое вычисляется как разность между объемами фильтрата и воды, затраченной на промывки. Режим промывки назначается по графику, показанному на рис. 12.9, в зависимости от мутности исходной воды. Общий вид графика изменения производительности ультрафильтрационных мембран в процессе их работы и проведния промывок показан на рис 12.10.
Для удаления осадка, образующегося на поверхности ультрафильтрационных мембран, служит система обратной промывки, которая состоит из насосов обратной промывки, системы трубопроводов с магнитными задвижками и устройств автоматики. Промывные воды собираются в резервуар-отстойник, после чего направляются либо в голову сооружений очистки, либо сбрасываются в производственную канализацию (в безреагентной схеме). Осадок из отстойника для сбора промывных вод может быть обезвожен традиционными методами. Технологические схемы применения ультрафильтрационных установок для очистки природных вод показаны на рис. 12.11.
Рис. 12.9. График изменения производительности ультрафильтрационной установки от времени (начальный участок кривой).
Рис. 12.10. Пример графической оптимизации продолжительности фильтроцикла
Рис. 12.11. Технологические схемы применения ультрафильтрационных мембран для различных случаев очистки воды: а – очистка поверхностной воды, предочистка перед системами обратного осмоса; б – обезжелезивание подземных вод; в – применение на станциях очистки поверхностных вод для улучшения качества питьевой воды; г – при модернизации существующих очистных сооружений; 1 – приемный бак исходной воды; 2 – насос подачи на мембранную установку; 3 – ультрафильтрационные аппараты; 4 – бак очищенной воды; 5 – насос обратной промывки; 6 – дозатор коагулянта; 7 – аэратор; 8 – компрессор; 9 – смеситель; 10 – камера хлопьеобразования; 11 – отстойник; 12 – погружные ультрафильтрационные модули; 13 – вакуум-насос
12.1. Типы мембран и мембранных аппаратов
12.2. Теоретические основы процесса ультрафильтрации