Известно, что целый ряд технологического оборудования, в особенности зарубежного производства, требует для своей работы воды высокого качества (отвечающей нормативам на питьевую воду или же специальным техническим регламентам). На многих предприятиях водоподготовительные установки морально устарели или работают неэффективно. Перед инженерными службами встает выбор — использовать водопроводную воду или оснащать технические водопроводы местными установками очистки воды. Вместе с тем, качество воды в водопроводах многих городов и поселков оставляет желать лучшего — вода из артезианских скважин часто содержит железо, при использовании подземных источников неглубокого залегания и поверхностных водозаборов в воде наблюдается повышенная цветность и мутность, не исключено бактериальное загрязнение. Во многих регионах станции обезжелезивания и водопроводные очистные сооружения вообще отсутствуют или работают неудовлетворительно и требуют реконструкции. Чтобы решить вышеперечисленные задачи, необходимы простые и относительно недорогие автономные системы производительностью от нескольких сот литров до нескольких сотен кубометров в час. Эти системы должны обеспечивать очистку воды по основной технологической цепочке — осветление, обесцвечивание (обезжелезивание) и обеззараживание. Помимо обязательных экономических и технологических критериев, к местным системам водоподготовки предъявляются такие требования, как удобство и простота эксплуатации, компактность, простота транспортировки и монтажа, которые в некоторых случаях могут оказаться решающими при выборе установки очистки воды. В последнее время на рынке водоочистного оборудования стали появляться системы, оснащенные фильтрующими аппаратами на основе микро- и ультрафильтрационных мембран. Принцип работы таких установок близок к работе напорных фильтров с зернистой загрузкой, однако имеется ряд существенных отличий, которые делают эту технологию одним из перспективных направлений в области водоподготовки. Метод ультрафильтрации позволяет осветлять и обесцвечивать природную воду, частично снижать окисляемость и осуществлять ее эффективное обеззараживание. При этом ультрафильтрационные мембраны, в отличие от обратноосмотических и нанофильтрационных, практически не задерживают растворенные в воде соли, сохраняя естественный солевой состав природной воды. Поэтому на ультрафильтрационных мембранах исключается образование кристаллических осадков нерастворимых солей и, следовательно, нет необходимости в частых химических промывках. Задержанные загрязнения удаляются с поверхности мембран с помощью обратных гидравлических промывок. Мембраны представляют собой надежный барьер на пути загрязнений, находящихся в коллоидной и взвешенной форме, поэтому качество фильтрата практически не зависит от колебаний состава исходной воды и не ухудшается в конце фильтроцикла. Обычные мембранные аппараты позволяют обрабатывать воду с содержанием взвешенных веществ до 100–200 мг/л, для вод с большей мутностью используют мембранные аппараты с увеличенными сечениями напорных трактов и специальные режимы фильтрования и промывки. Подбирая наиболее подходящий тип мембран (по размеру пор) возможно получение воды питьевого качества из источников с мутностью до 200 мг/л и цветностью до 100 град. Для повышения качества очистки и уменьшения риска загрязнения мембран исходную воду обрабатывают коагулянтами или флокулянтами. На рис. 1 приведен ориентировочный уровень очистки поверхностных вод на ультрафильтрационных мембранах с различным размером пор. Современные ультрафильтрационные мембраны представляют собой тонкие полимерные трубки или волокна диаметром 0,5–2,0 мм (рис. 2а), называемые капиллярами. Стенки этих капилляров пронизаны тончайшими порами размером 0,005–0,1 мкм. Сотни таких трубочек собираются в пучки и помещаются в напорные корпуса (рис. 2б). Исходная вода подается обычно внутрь капилляров для улучшения гидравлического режима их работы. Существуют также ультрафильтрационные аппараты с плоскими мембранами, устройство которых сходно с обратноосмотическими рулонными элементами. Площадь поверхности мембран в одном аппарате диаметром 200 мм и длиной 1500 мм может достигать 30–50 м2. При этом производительность таких мембранных элементов при давлении фильтрования всего 0,5–1,5 атм составляет 3–5 м3/ч. Схема работы капиллярных ультрафильтрационных аппаратов показана на рис. 2в. Большинство ультрафильтрационных систем работает в тупиковом режиме, при этом весь объем исходной воды профильтровывается через мембрану, а задержанные загрязнения накапливаются на ее поверхности. Этот режим характеризуется низкими энергетическими затратами на перекачку жидкости. В больших установках при повышении мутности исходной воды (или перепада давления на мембране) автоматически включается режим циркуляции, когда часть исходной воды направляется с большой скоростью над поверхностью мембраны для поддержания частиц загрязнений во взвешенном состоянии. Для удаления накопленных осадков каждые 15–60 минут проводятся обратные промывки (фильтрование очищенной воды в обратном направлении с большой скоростью). Длительность промывок составляет всего 10–60 с, и соответственно, количество промывной воды обычно не превышает 5% от полезной производительности установки. На больших очистных станциях дополнительно устанавливают сооружения обработки промывных вод, которые также могут включать мембранные установки, при этом потребление воды на собственные нужды станции сокращается до 1–2%. Для борьбы с постепенным загрязнением ультрафильтрационных мембран (в т.ч. биологическим) в промывную воду дозируется окислитель или биоцидный препарат. Чаще всего для этой цели используют гипохлорит натрия или пероксид водорода. Метод ультрафильтрации имеет множество применений, однако в последние годы наибольший интерес вызван открывшимися перспективами получения с его помощью питьевой воды из природных источников. Это стало возможным благодаря научным и технологическим достижениям последнего десятилетия XX века: мембранные аппараты стали надежнее и дешевле, возросла удельная производительность и снизилось рабочее давление ультрафильтрационных мембран. Современные ультрафильтрационные мембраны могут обрабатывать воду с любой мутностью (вплоть до 1000 мг/л), они не боятся высокой цветности и бактерий, могут работать в широком диапазоне рН (от 2 до 12), устойчивы к воздействию окислителей. Это позволяет использовать их для самых различных целей — очистки поверхностных и подземных вод, предочистки перед обратным осмосом, обезжелезивания, очистки воды в плавательных бассейнах, улучшения качества водопроводной воды и доочистки сточных вод. Ультрафильтрационные системы могут использоваться для предочистки воды перед ионообменными фильтрами на объектах теплоснабжения и энергетики — как замена осветлителям и фильтрам. Очень перспективно использовать ультрафильтрацию в схемах обратноосмотического обессоливания и умягчения воды, где в качестве исходной воды используют осветленную воду из поверхностного источника. Вода после ультрафильтрационной установки практически не содержит взвешенных веществ и бактерий, что надежно защищает обратноосмотические аппараты от загрязнения коллоидными осадками и снижает риск биологического обрастания. Отпадает необходимость в частой замене патронных фильтров, входящих в комплект обратноосмотических установок. Одним из критериев надежности и эффективности современных мембранных систем является наличие правильного подхода к технологии их создания и эксплуатации. Накопленный к настоящему времени опыт конструирования мембранных систем отводит проблемы дизайна, конструктивного (технического) оформления на второй план. Основополагающим фактором успешной работы мембранной установки становятся технологические знания: в первую очередь, это правильный выбор типа мембран и схемы очистки, во-вторых, точное определение эксплуатационного режима работы ультрафильтрационной установки. Цель проводимых нами на протяжении последних лет исследований состоит в том, чтобы дать проектировщикам и инженерам ключ к использованию современных мембранных установок при подготовке питьевой и технической воды, а в более широком смысле — популяризация этой технологии и «приближение» ее к конечным потребителям. Среди стоящих задач: o прогнозирование качества очищенной воды и его изменения с течением времени на основе изучения селективности ультрафильтрационных мембран; o расчеты эффективности химической регенерации мембран; o оптимизация предварительной обработки воды коагулянтами и активным углем; o выбор оптимальных параметров эксплуатации мембранных установок, соответствующих наименьшей себестоимости очистки и минимальному уровню расхода воды на собственные нужды. К настоящему времени разработана модель прогнозирования падения производительности ультрафильтрационных мембран вследствие их загрязнения коллоидными, органическими и биологическими осадками. На основе этой модели предложена экспериментальная методика технологического анализа работы ультрафильтрационных установок. Методика состоит в определении закономерностей снижения производительности мембран в течение нескольких фильтроциклов и эффективности удаления загрязнений во время обратных промывок. Полученные данные используются для вычисления оптимальных параметров работы (продолжительности и частоты обратных промывок, рабочего давления) установки на воде заданного состава. Разработанная методика позволяет избежать преждевременного загрязнения мембран и выхода их из строя. При расчете установки, в зависимости от состава исходной воды и требований к качеству очищенной, подбирается наиболее подходящий тип мембран и дается прогноз работы установки в течение заданного периода эксплуатации. Разработаны схемы и конструкции мембранных установок и рекомендации по эксплуатации для таких областей применения, как производственное водоснабжение, автономное водоснабжение отдельных зданий и улучшение качества воды в точках водоразбора, водоснабжение малых населенных пунктов (до 5000– 10 000 м3/сут). На рис. 3 показана технологическая схема установки обезжелезивания подземной воды для водоснабжения коттеджей и малых объектов. В качестве примеров на фотографиях приведены система доочистки водопроводной воды (рис. 4а), установка обработки воды из поверхностных источников (рис. 4б) и мембранный блок производительностью 20–25 м3/ч (рис. 4в), предназначенный для комплектации крупных водоочистных станций. Эксплуатация мембранных систем производительностью от 100 л/ч до 50 м3/ч и более заключается в периодическом наблюдении за работой установки (раз в смену) — контроль рабочего давления, производительности, наличия реагентов в расходных баках и т.п. В зависимости от качества исходной воды (содержания железа в подземной воде, цветности и мутности поверхностных водоисточников) проводятся профилактические химические промывки мембранных аппаратов для удаления той части загрязнений, которые не смываются обратными промывками. Процедура химической регенерации группы мембранных аппаратов занимает от 2 до 4 ч и не требует специальной квалификации персонала. Выводы: Особенности современной мембранной технологии ультрафильтрации: o компактность, достигаемая за счет высокой площади поверхности фильтрования в мембранных аппаратах; o низкий расход воды на собственные нужды; o возможность обрабатывать воду с высокой загрязненностью в одну стадию — простота технологической схемы; o высокое качество очищенной воды, не зависящее от колебаний качества воды в источнике; o в ряде случаев возможна безреагентная очистка воды; o низкий расход электроэнергии, перепад давления на мембране — 0,5–1,5 атм. В настоящее время ультрафильтрационной технологии уже не нужно доказывать свою «жизнеспособность» и эффективность — тысячи работающих установок по всему миру и миллионы кубометров чистой воды, производимых с их помощью ежедневно, оказываются лучшим доводом «за».