способ очистки воды и мембранная установка для его осуществления (варианты)

Формула изобретения

1. Способ очистки воды от механических примесей, микроорганизмов, высокомолекулярных соединений и солей тяжелых металлов методом ультрафильтрации, включающий предварительную грубую очистку воды, стадию фильтрования воды через мембрану и стадию регенерации установки, в котором каждую мембрану предварительно электризуют, а до подачи очищаемой воды на ультрафильтрацию производят ее аэрацию.

2. Способ по п. 1, при котором в воде над каждой мембраной создают давление 0,30,01 МПа и атмосферное - под ней.

3. Способ по п. 1, в котором не прошедшую через мембрану воду возвращают для повторной фильтрации.

4. Способ по п. 1 или 2, в котором регенерацию мембраны производят репиатом с добавлением лимонной кислоты из расчета 2 мг на 1 литр репиата.

5. Способ по п. 1 или 2, в котором регенерацию мембраны производят репиатом с добавлением серной кислоты H₂SO₄5H₂O из расчета 2 мг на 1 литр репиата.

6. Способ по любому из пп. 1-3, в котором электризацию мембраны осуществляют подачей электрического тока.

7. Способ по любому из пп. 1-3, в котором электризацию мембраны осуществляют путем перемещения воды над ее поверхностью со скоростью 1-2 м/с.

8. Способ по любому из пп. 1-6, при котором аэрацию очищаемой воды производят путем дробления ее на мелкие струи или на аэрозольную смесь.

9. Способ по любому из пп. 1-7, в котором стадии фильтрования и регенерации чередуют между собой через равные промежутки времени.

10. Мембранная установка для очистки воды от механических примесей, микроорганизмов, высокомолекулярных соединений и солей тяжелых металлов, включающая соединенные трубопроводами между собой циркуляционный насос, фильтр грубой очистки, баромембранный модуль, включающий, по меньшей мере, две ступени ультрафильтрационных мембран, емкость сбора репиата, насос перекачки его потребителю и контрольно-регулирующую аппаратуру, аэратор, емкость концентрирования и буферную емкость, соединенные посредством трубопроводов и вентилей с емкостью сбора репиата и канализацией.

11. Установка по п. 10, в которой аэратор расположен в емкости для концентрирования.

12. Установка по п. 10, в которой фильтр грубой очистки выполнен из стекловолокна.

13. Мембранная установка, для очистки воды от механических примесей, микроорганизмов, высокомолекулярных соединений и солей тяжелых металлов, включающая соединенные трубопроводами между собой циркуляционный насос, фильтр грубой очистки, баромембранный модуль, включающий, по меньшей мере, одну ступень ультрафильтрационных мембран, емкость сбора репиата, насос перекачки его потребителю, аэратор, емкость концентрирования, соединенную посредством трубопроводов и вентилей с емкостью сбора репиата и канализацией.

14. Установка по п. 13, в которой аэратор расположен в емкости концентрирования.

15. Установка по п. 10, в которой фильтр грубой очистки выполнен из стекловолокна.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к области мембранного разделения растворов и суспензий и, в частности, к способам и средствам очистки природных вод с целью использования их в хозяйственно-питьевом водоснабжении, для очистки промышленных стоков, для разделения, очистки и концентрирования растворов или суспензий органических или минеральных веществ и могут быть использованы в системах питьевого водоснабжения, коммунального хозяйства, в пищевой, медицинской, биологической и других областях хозяйственной деятельности.

Известен способ очистки воды, включающий стадию фильтрования методом ультрафильтрации в мембранном аппарате и стадию регенерации мембран от загрязнений, заключающийся в резком сбрасывании давления в аппарате и промывке мембран обратным током жидкости (см. описание к патенту РФ 2112747, МПК C 02 F 1/44, 9/00, B 01 D 61/02, 61/08, опубл. 10.06.98г.). Принцип ультрафильтрационной мембранной очистки состоит в продавливании в гидродинамическом режиме очищаемой воды под давлением 0,15-0,5 МПа через полупроницаемую мембрану с размером пор (сквозных каналов) не более 0,05 мкм. При этом очищаемая вода многократно прогоняется над поверхностью мембран по замкнутому циркуляционному контуру установки.

В силу малости размера молекул чистой воды они проходят через мембрану по сквозным каналам, а молекулы загрязнений, имеющие гораздо большие размеры, остаются в потоке, протекающем над поверхностью мембран, и в конечном итоге отводятся в сборник концентрата (высоко концентрированная очищаемая вода, образующаяся после извлечения из нее на мембранах чистой воды).

Этот способ имеет существенные недостатки. Из-за малости каналов (не более 0,05 мкм) мембраны быстро загрязняются, особенно металлами, находящимися в свободном состоянии, которые "прилипают" к поверхности мембран и их каналов.

Обратный ток очищаемой жидкости (репиата) сам по себе малоэффективен, т. к. при даже продолжительном цикле промывки осевшие частицы загрязнений удаляются с трудом, вследствие чего после каждого цикла эффективность такого способа очистки снижается.

Задача, решаемая предлагаемым способом, состоит в повышении эффективности и производительности очистки воды.

Технический результат состоит в качественном и количественном уменьшении загрязнения мембран посредством применения мембран с каналами большего диаметра.

Для достижения указанного результата в способе очистки воды от механических примесей, микроорганизмов, высокомолекулярных соединений и солей тяжелых металлов методом ультрафильтрации, включающем предварительную грубую очистку, стадию фильтрования воды через мембраны и стадию регенерации установки после ее загрязнения, каждую мембрану предварительно электризуют, а до подачи очищаемой воды на ультрафильтрацию производят ее аэрацию.

Не прошедшую через мембрану воду возвращают для повторной фильтрации.

Регенерацию мембраны репиатом производят с добавлением лимонной кислоты или серной кислоты Н₂SO₄SH₂O, а электризацию каждой мембраны осуществляют подводом электрического тока или перемещением воды над ее поверхностью со скоростью 1-2 м/с.

Над мембраной создают давление, превышающее атмосферное в 3...6 раз (оптимальное 0,30,01 МПа) и атмосферное под ней, а аэрацию и/или озонирование воды производят дроблением ее на мелкие струи или аэрозольную взвесь.

Стадии фильтрования и регенерации чередуют между собой через равные промежутки времени, а в очищающий мембраны репиат добавляют лимонной кислоты или серной кислоты H₂SO₄SH₂O из расчета 2 мг на 1 литр.

Электризация мембран позволяет применять мембраны с каналами большего диаметра, создавая как бы электромагнитный ключ или замок для молекул, имеющих заряд, и увлекающий молекулы воды, имеющие дипольный момент. Проведенный патентно-информационный поиск не выявил известность этого приема из уровня техники.

Аэрация воды - известный из уровня механики прием (см., например, Политехнический словарь. М., Изд-во "Советская энциклопедия", стр. 40, 1976 г.), состоящий в насыщении воды кислородом воздуха. Аэрация применяется в очистных водопроводных сооружениях с целью обезжиривания (и для выделения из воды гидроокиси железа, удаления свободной углекислоты и сероводорода).

В заявляемом способе этот прием используется с целью окисления элементов (частичек) с открытой валентностью, т. к. окислы хуже "адсорбируются" на поверхностях мембран и меньше загрязняют их.

Таким образом, заявленный способ соответствует критерию "изобретательский уровень".

Известна мембранная установка, включающая соединенные трубопроводами между собой фильтр грубой очистки, циркуляционный насос, батарею разделительных аппаратов на основе ультрафильтрационных мембран, накопительную емкость, насос перекачки репиата, линии подвода очищаемой воды, отвода концентрата и репиата (описание к патенту РФ 2112747, МПК C 02 F 1/44, 9/00, B 01 D 61/02, 61/08).

Однако эта установка не обеспечивает достаточной производительности при высокой степени чистоты репиата, т.к. используемые в ультрафильтрационном режиме мембраны имеют очень малые отверстия не более 0,05 мкм, быстро загрязняются, особенно металлами, находящимися в свободном состоянии.

Задачей, решаемой изобретениями, является повышение производительности мембранной установки для очистки воды при улучшении качества очистки.

Технический результат состоит в уменьшении величины загрязнения ультрафильтрационных мембран за счет отталкивания электризованными мембранами загрязняющих воду частиц и предварительном окислении элементов с открытой валентностью.

Для водоснабжения населения и различных производственных объектов используются главным образом природные воды, как поверхностные (из рек, озер, прудов), так и подземные (из артезианских скважин). Все воды содержат разнообразные примеси, попадающие в воду в процессе ее естественного кругооборота в природе и в результате слива в водоисточники бытовых и промышленных отходов. И если воды по своим микробиологическим, токсикологическим и органолептическим показателям не соответствуют требованиям ГОСТ, то их следует подвергать очистке от вредных примесей.

Все примеси, загрязняющие воду, подразделяются на три вида в зависимости от размера их частиц:

- истинно растворенные примеси, которые находятся в воде в виде ионов, отдельных молекул, молекулярных комплексов, ассоциативных лиозолей. Размеры этих частиц менее 10^-6 мм. К ним относятся газы (например, О₂, С₂О, Н₂S, N₂ и т.п.), а также катионы и анионы поступивших в воду солей Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺, НСО₃ ^-, Сl^-, NО₃ ^- и т.п.;

- коллоидно растворенные примеси, частицы которых имеют размеры от 10^-6 мм до 10^-4 мм. Каждая частица образована большим числом молекул (их может быть несколько тысяч). Эти примеси могут быть как органического, так и минерального происхождения. К первым, например, относятся гуминовые вещества, вымываемые из почвы, а ко вторым - кремниевые кислоты, соединения железа;

- грубодисперсные примеси, которые имеют размеры частиц более 10^-4 мм - это растительные остатки, частицы песка, глины и т.д.

Поэтому указанный технический результат может быть достигнут двумя вариантами.

Если анализ качества исходной воды показывает, что загрязняющие ее примеси имеют размеры частиц всех трех вышеописанных типов, то технический результат по первому варианту достигается тем, что мембранная установка, включающая фильтр грубой очистки, циркуляционный насос, баромембранный модуль, состоящий из буферной емкости, насоса буферной емкости, емкость сбора репиата, насос для перекачки его потребителю и контрольно-регулирующую аппаратуру, снабжена аэратором, емкостью концентрирования, причем последние соединены посредством трубопроводов и вентилей с емкостью сбора репиата и канализацией, а баромембранный модуль включает, по меньшей мере, две ступени ультрафильтрационных мембран.

Если анализ качества исходной воды показывает, что загрязняющие ее примеси имеют коллоидно-растворенный и грубодисперсный характер, то указанный технический результат по второму варианту достигается тем, что мембранная установка, включающая фильтр грубой очистки, циркуляционный насос, баромембранный модуль (состоящий из, по меньшей мере, одной ступени ультрафильтрационных мембран), емкость сбора репиата, насос для перекачки его потребителю и контрольно-регулирующую аппаратуру, снабжена аэратором, емкостью концентрирования, соединенной посредством трубопроводов и вентилей с емкостью сбора репиата и канализацией, а баромембранный модуль включает, по меньшей мере, одну ступень ультрафильтрационных мембран. В обоих вариантах аэратор может быть размещен непосредственно в емкости концентрирования, а фильтр грубой очистки может быть выполнен из стекловолокна.

Заявленные изобретения иллюстрируются чертежами, где на фиг.1 представлена мембранная установка по первому варианту, на фиг.2 - мембранная установка по второму варианту.

Мембранная установка по первому варианту (фиг.1) включает установленный па каркасе 1 баромембранный плоскорамный модуль 2, состоящий из двух блоков 2¹ и 2².

Блок 2¹ набран из полупроницаемых мембран, например, обладающих проницаемостью 10...15 мл/(мин Х см²), и предназначен для очистки воды от загрязняющих примесей, имеющих коллоидно-растворенный характер. Блок 2² набран из полупроницаемых мембран, например, обладающих проницаемостью 10. ..15 мл/(мин. Х см), и предназначен для очистки воды от загрязняющих примесей, имеющих истиннорастворенный характер.

В модуле циркуляционным насосом 3 поддерживается рабочее давление 0,30,01 МПа (3,00,1 кгс/см²) над мембранами блока 2² и 0,450,01 МПа (4,50,1 кгс/см²). Под мембранами поддерживается атмосферное давление. Установка содержит фильтр грубой очистки 4, например, из стекловолокна (предназначен для очистки воды от грубодисперсных примесей), емкость концентрирования 5, буферную емкость первой ступени 6, емкость для сбора (репиата) фильтрата 7, насос откачки репиата 8, напорный аэратор 9, трубопроводы 10, вентиль магистральный 11, вентиль 12 слива водопроводной воды в канализацию, вентиль 13 подачи воды в емкость концентрирования, вентиль 14 подачи воды из буферной емкости 6 в емкость концентрирования 5, вентиль 15 слива воды из буферной емкости 6 в канализацию, буферная емкость снабжена насосом 32 для подачи воды из нее в емкость 5, вентиль 16 - вентиль принудительного слива концентрата с помощью насоса 3 в канализацию, вентили 17 и 18 на входе в ступень баромембранного модуля 2, вентиль 20 на выходе из ступени баромембранного модуля 2, манометр 22 входа в ступени баромембранного модуля 2; 23; 24 - выходов из баромембранного модуля 2, вентиль 26 перекачки репиата из емкости 7 в емкость концентрирования 5, вентиль 27 перекачки репиата (чистой воды) потребителю и вентиль 28 пробоотборника, пульт управления 29. Вентиль 30 служит для переключения потоков при осуществлении регенерации мембранной установки. Установка оборудована датчиком температуры 31.

Мембранная установка по первому варианту работает следующим образом. В начале включают в работу первую ступень установки. Открывают вентиль 11 и подают очищаемую воду из магистрального трубопровода на установку. Открыв вентиль 13, производят наполнение емкости концентрирования 5 до определенного уровня (75% ее объема) через стекловолоконный фильтр 4 и аэратор 9.

Затем открывают вентиль 19 и одновременно включают циркуляционный насос 3. После чего медленно ( в течение 60 с) открывают вентиль 17, заполняя водой гидросистему первого блока 2¹ баромембранного модуля. Регулируя вентили 19 и 17, устанавливают над мембраной блока 2¹ давление 0,30,01 МПа. При этом водный поток, протекая над мембраной со скоростью 1...2 м/с электризует их. Молекулы воды с частицами истинно растворенных примесей свободно проходят в каналы мембран, а более крупные молекулы органики, дисперсные лиозоли соединений кремния, железа и других химических элементов уносятся с потоком воды и возвращаются в емкость концентрирования 5. Вода, прошедшая через мембраны и очищенная от загрязнений, самотеком сливается в емкость 7. И после ее заполнения репиатом первой ступени очистки до определенного уровня (75% ее объема) включают насос 8 и открывают вентиль 25 таким образом, чтобы количество репиата, поступающего в емкость 7, было бы равно его количеству, отводимому в буферную емкость 6. Этот процесс отвода репиата из емкости 7 контролируется датчиком уровня "поплавкого" типа. В связи с тем, что проницаемость мембран первого блока 2¹ примерно в 10 раз превышает проницаемость мембран второго блока 2², а также вследствие отталкивания электризованными мембранами загрязняющих воду частиц, первая ступень установки может работать довольно длительное время без регенерации поверхности мембран. Экспериментально установлено, что оптимальное время работы первой ступени определяется моментом, когда происходит снижение производительности очистки воды в мембранном блоке 2¹ ( на 10% от первоначального уровня). При этом длительность работы первого блока без регенерации мембран в 8 раз превышает длительность работы без регенерации второго блока. Поэтому работа первого блока установки заканчивается после заполнения буферной емкости 6, объем которой устанавливается по величине, равной суточной потребности заказчика с учетом количества репиата, необходимого для регенерации мембран второй ступени.

После заполнения репиатом, полученным в результате очистки воды в блоке 2¹, емкости 6 вентиль 25 закрывают и выключают насос 8. Затем закрывают вентиль 17 и одновременно выключают насос 3 и закрывают вентиль 13. После чего открывают вентиль 12 и сливают концентрат из емкости 5 в канализацию. Закрыв вентиль 12, открывают вентиль 26 и включают насос 8 для того, чтобы перегнать репиат из емкости 7 в емкость 5 в целях ее промывки и заполнения первой ступени водой. После промывки емкости 5 и заполнения репиатом первой ступени включают в работу второй блок очистки. Для этого открывают вентиль 14 и одновременно включают насос 32 и подают воду из буферной емкости 6 в емкость концентрирования 5, т. е. производят ее наполнение до определенного уровня (75% ее объема) через стекловолокнистый фильтр и аэратор 9. Открывают вентиль 20 и включают насос 3 и медленно (в течение 60 с) открывают вентиль 18. Т.е. заполняют вторую ступень водой. После чего, регулируя вентили 20 и 18, устанавливают над мембранами блока 2² давление 0,450,01 МПа, а регулируя вентиль 14, устанавливают подачу воды из емкости 6 в емкость 5 таким образом, чтобы уровень воды в емкости 5 оставался постоянным. Водный поток, протекая над мембранами блока 2², электризует их. В результате согласно правилу Кена (Ю.Г. Фролов "Курс коллоидной химии", М., "Химия", 1982, стр. 46), когда "из двух соприкасающихся фаз положительно заряжается та, которая имеет большую диэлектрическую проницаемость. Именно поэтому многие вещества, находящиеся в контакте с водой, имеющей большую диэлектрическую проницаемость, заряжаются отрицательно". В нашем случае это мембрана. Тогда отрицательные заряженные частицы будут отталкиваться от поверхности мембраны и способствовать протеканию адсорбционно-сольфатных процессов, что будет приводить к формированию макромолекулярных и даже ассоциативных лиозолей, т.е. частиц, размеры которых будут в несколько раз превышать размеры каналов в мембранах. Поэтому молекулы воды и небольшая доля неассоциированных частиц свободно пройдут в каналы мембран, а более крупные молекулярные соединения уносятся потоком воды и возвращаются в емкость концентрирования 5. Вода, прошедшая через мембраны блока 2² и очищенная уже от самых мелких загрязнений, самотеком сливается в емкость 7. И после заполнения ее репиатом второй ступени включают насос 8 и открывают вентиль 27, т.е. подают очищенную воду потребителю. Установлено, что если вода проходит только одноступенчатую очистку на мембранах блока 2¹, то ее жесткость не меняется и она по своим показателям близка к природной воде, источники которой не подвергались загрязнению бытовыми и промышленными отходами. После же очистки воды на второй ступени мембран блока 2² жесткость воды резко уменьшается ( в 3...4 раза по сравнению с первоначальной величиной). При этом режим подачи репиата второй ступени потребителю устанавливают такой, чтобы уровень воды в емкости 7 оставался постоянным (75% ее объема), что достигается путем регулировки вентиля 27.

Работа второго блока 2² установки производится до тех пор, пока не снизится производительность процесса очистки воды во второй ступени на 10% от первоначального уровня). Снижение производительности процесса очистки воды означает, что мембраны загрязнены и их следует регенерировать. Для этого перекрывают вентиль 14 и выключают насос 32. Затем перекрывают вентиль 27 и открывают вентиль 26 таким образом, чтобы уровень воды в емкости 7 оставался постоянным. После чего в емкость 5 вводят лимонную кислоту или серную кислоту H₂SO₄SH₂O в количестве, обеспечивающем ее концентрацию 2 г/л. Таким образом происходит циркуляция раствора лимонной кислоты из емкости 5 в емкость 7 в режиме ультрафильтрации, в результате чего происходит очистка поверхности мембран блока 2². Длительность этого процесса занимает примерно 30. . .45 мин и контролируется по восстановлению производительности процесса очистки. После окончания регенерации мембран второй ступени раствор лимонной кислоты сливают в канализацию. Для чего перекрывают вентиль 20, а затем 18 и открывают вентиль 16. После опорожнения емкостей 5 и 7 выключают насосы 3 и 8 и закрывают вентили 16 и 26. И работу второй ступени начинают вновь таким же образом, как было описано выше. В целом работа второй ступени 2² продолжается до тех пор, пока из емкости 6 вся вода будет передана потребителю. После чего закрывают вентиль 27 и выключают насос 8, закрывают вентиль 14 и одновременно выключают насос 32 и, открыв вентиль 15, сливают остатки воды из емкости 6 в канализацию. Затем закрывают вентиль 20 и вентиль 18 и выключают насос 3.

Мембранная установка по второму варианту (фиг.2) работает следующим образом. Открывают вентиль 11 и подают очищаемую воду из магистрального трубопровода на установку. Открыв вентиль 13, производят наполнение емкости концентрирования 5 до определенного уровня (75% ее объема) через стекловолоконный фильтр 4 и аэратор 9, который производит дробление водного потока на мелкие струи или аэрозольную взвесь. Происходит насыщение воды кислородом воздуха и окисление находящихся в ней частиц. Далее вода подается в барометрический модуль 2. Для чего открывают вентиль 20 и одновременно включают циркуляционный насос 5, а затем медленно ( в течение 60 с) открывают вентиль 18. После чего, регулируя вентили 20 и 17, устанавливают над мембраной модуля 2 давление 0,30,01 МПа. При этом водный поток, протекая над мембранами со скоростью 1. . .2 м/с, электризует их. Молекулы воды и истинно растворенные частички примесей свободно проходят в каналы мембран, а более крупные молекулы органики, а также лиозоли окислов и солей уносятся с потоком воды и возвращаются в емкость концентрирования 5. Вода, прошедшая через мембраны и очищенная от загрязненной, самотеком сливается в емкость 7. И после ее заполнения до определенного уровня (75% ее объема) включают насос 8 и одновременно открывают вентиль 27 таким образом, чтобы количество репиата, поступающего в емкость 6, было равно его количеству, уходящему из емкости 7 к потребителю. Этот процесс отбора воды из емкости сбора репиата 7 контролируется датчиком уровня воды "поплавкового" типа. Процесс очистки воды продолжается до тех пор, пока не снизится производительность процесса очистки воды в мембранном модуле 2² ( на 10% от первоначального уровня). Снижение производительности процесса очистки воды означает, что мембраны загрязнены и их следует регенерировать. Для этого перекрывают вентиль 18 и выключают насос 3, а затем перекрывают вентиль 27 и выключают насос 8. После чего закрывают вентили 13 и 20. Концентрат сливают через вентиль 12, а затем 16 в канализацию. И, открыв вентиль 26 и включив насос 8, перегоняют репиат из емкости 7 в емкость 5. После чего начинают процесс очистки (регенерации) мембран репиатом. Для этого репиат из емкости 5 подают, открыв вентили 18 и 20 и включив насос 3, в баромембранный модуль, установив давление над мембранами не более 0,060,01 МПа.

В связи с тем, что в репиате концентрация примесей не велика, то происходит процесс десорбции частиц с поверхности мембран в поток жидкости, который их уносит в емкость 5, так как давление над поверхностью мембран ниже уровня, необходимого для осуществления режима ультрафильтрации. Экспериментально установлено, что при указанных выше параметрах режима движения жидкости время регенерации мембран составляет порядка 120 мин, если исходная жесткость воды составляла порядка 256...30 баллов. После процесса регенерации мембран выключают насос 3 и закрывают вентили 20 и 18. Затем включают установку на рабочий режим таким образом, как было описано выше.

Основные характеристики получаемого репиата при двухступенчатой очистке воды приведены в таблице.

Таким образом, как следует из таблицы, заявленный способ и реализующие устройства позволяют существенно повысить качество очистки воды. При этом одновременно увеличивается производительность мембранных установок.