Технические науки/2. Механика

 

Азимов А.М., к.т.н. Сабырханов М.Д., д.т.н. Абиев Р.Ш., Азимова Н.Б.

Южно-Казахстанский государственный университет им. М.Ауэзова, Казахстан, Сант-Петербургский государствынный технологический институт (технический университет), Россия

Ультрафильтрационная очистка питьевой воды в мембранном аппарате

Подготовка пригодной для питья воды должна обеспечивать такой ее качественный состав, который бы не нарушал нормального функционирования организма человека [1]. Основными требованиями, предъявляемыми к питьевой воде являются безопасность в эпиде­миологическом отношении, безвредность по токсикологическим показателям, хорошие органолептические показатели и пригодность для хозяйственных нужд.

      Необходимость очистки воды на питьевых водопроводах возни­кает при несоответствии исходной воды требованиям СанПиН 2.1.4.559-96 [2]. Основная цель традиционных схем очистки - улуч­шение органолептических свойств воды: осветление, обесцвечива­ние, дезодорация и др. Под осветлением воды понимают удаление из нее взвешенных веществ, под обесцвечиванием - устранение окрашенных коллои­дов или истинно растворенных веществ. Осветление и обесцвечива­ние воды достигается в основном ее отстаиванием (с применением коагулянтов и флокулянтов или без них) в отстойниках, фильтрова­нием через ткани или сетки на микрофильтрах и барабанных ситах. Последние используют для предварительного удаления из воды фито- и зоопланктона, что позволяет намного улучшить работу со­оружений водопровода. Как показывает практика эксплуатации микрофильтров, они снижают содержание взвеси в воде на 30-40 %, практически полностью задерживают зоопланктон и на 75-95 % - фитопланктон. Основной частью микрофильтров и барабанных сит является многогранный барабан с фильтрующими элементами из тонкой ме­таллической или пластмассовой сетки с ячейками размером 40-60 мкм. Обрабатываемую воду подают внутрь барабана. Фильтруясь через сетку, она поступает в камеру микрофильтра, а оттуда - в тру­бопровод, подающий воду на следующий этап очистки - отстаива­ние.

Выполнен обзор конструктивных и эксплуатационных характеристик систем ультрафильтрации сырой воды [3]. Главной их особенностью является постепенное снижение проницаемости (permeability) мембран с увеличением их гидравлического сопротивления в результате накопления загрязнений. Рассмотрены методы очистки мембран, применяемые для сохранения их проницаемости в процессе предварительной обработки воды.

Мембранные аппараты и технологии позволяют осуществлять процессы очистки, разделения и концентрирования жидких смесей на молекулярном и надмолекулярном уровне с одновременной утилизацией ценных продуктов. Безреагентность, исключение фазовых переходов и применения растворителей, энергосбережение, экологическая чистота, сравнительная простота технологического оформления и относительно низкие температуры обуславливают высокую конкурентоспособность и широкое применение мембранных процессов практически во всех сферах деятельности человека.

Одной из конструкций, является мембранный аппарат мембранным элементом с ребристой поверхностью.

Задачей исследования является увеличение продолжительности работы мембраны и повышение степени очистки поверхности мембран в процессе регенерации.

Мембранный аппарат, содержащит цилиндрический корпус с патрубком ввода очищаемой  жидкости, расположенным тангенциально к образующей корпуса, патрубками вывода очищенной и недоочищенной жидкости, трубчатый мембранный модуль, содержащий каркас с дренажными отверстиями и с наружной полупроницаемой мембраной, установленный с зазором относительно внутренних стенок корпуса, эластичный валиковый элемент, выполненный из пористого материала в форме цилиндрического валика и расположенного по оси аппарата с возможностью вращения, причем мембранные модули также могут вращаться вертикально по своей оси и параллельно эластичному элементу, согласно изобретению, поверхность эластичного элемента имеет ребра, расположенные параллельно оси вращения либо в виде винтовой линии либо эластичные пупырышки, аппарат содержит устройство для подачи промывной жидкости на поверхность мембранных модулей, причем отношение окружных скоростей поверхностей эластичного элемента с ребристой поверхностью и трубчатых мембранных модулей задается в диапазоне 1,2÷1,7.

На фигуре 1- показан общий вид мембранного аппарата: на фигуре 2- вид сверху аппарата с разрезом крышки аппарата.

 

Фигура 1 - Мембранный аппарат

Фигура 2 –Вид сверху.

Где 1-цилиндрический корпус, 2-трубчатый каркаса, 3-дренажными отверстия для прохода очищаемой жидкости, 4-полупроницаемые мембраны, 5-съемная крышка мембранного модуля, 6-патрубок  для вывода очищенной жидкости, 7-глухое днище, 8-патрубком  для ввода очищаемой жидкости, 9-фильтр грубой очистки, 10-патрубок  для вывода недоочищенной жидкости, 11- съемная крышка корпуса, 12-эластичный элемент, 13-ребристая поверхность, 14-электродвигателя, 15-устройство для подачи промывной жидкости,  16-патрубок.

Мембранный аппарат работает следующим образом: подлежащая мембранной очистке жидкость поступает через фильтр грубой очистки 9 и патрубок 8, расположенный тангенциально к образующей корпуса 1. Создается закрученное движение жидкости, наиболее крупные частицы отбрасываются к периферии под действием центробежных силы и осаждаются, что способствует более длительному сохранению проницаемости мембраны 4. Проходя через полупроницаемую мембрану 4 трубчатого мембранного модуля, жидкость очищается от механических примесей и по дренажным отверстиям 3 поступает внутрь трубчатого мембранного модуля и очищенная выводится через патрубок 6 потребителю. При работе устройства  в режиме фильтрации патрубок 10 для вывода недоочищенной жидкости закрыт. В процессе работы аппарата происходит засорение поверхности мембраны 4, что приводит к увеличению перепада давления на трубчато-мембранном модуле. При достижении величины перепада давления до заданной, автоматически приводится в движение эластичный валиковый элемент 12 с ребристой поверхностью 13 при помощи электродвигателя 14.

Устройство для подачи промывной жидкости 15 включается одновременно с работой эластичных элементов. Устройство для подачи промывной жидкости 15 представляет собой трубчатый элемент с отверстиями, через которые на каждую полупроницаемому мембрану 4 и эластичный валиковый элемент 12 с ребристой поверхностью 13 подаются струи промывной жидкости. Промывная жидкость  поступает через патрубок 16. Эластичный валиковый элемент 12 с ребристой поверхностью 13, касаясь поверхности мембраны 4, снимает загрязнения, которые в дальнейшем смываются тангенциальным потоком промывной жидкости, проводится промывка мембраны 4, при этом недоочищенная жидкость сливается через патрубок 10. Периодичность регенерации препятствует износу мембраны 4. Эластичный валиковый элемент 12 с ребристой поверхностью 13 выполнен из пористого эластичного материала в форме цилиндрического валика, который механически очищает поверхность мембраны без её разрушения и сам при этом не забивается частицами. После длительной эксплуатации (до 2,5-3 лет) старые мембраны 4 заменяются новыми.

Отношение окружных скоростей поверхностей эластичного элемента с ребристой поверхностью и трубчатых мембранных модулей в 1,2÷1,7 раз позволяет повысить степень очистки регенерации мембран. При отношении окружных поверхностей эластичного элемента с ребристой поверхностью и трубчатых мембранных модулей менее 1.2 раза не обеспечивается необходимый уровень очистки поверхности мембран, так как касательные напряжения на поверхности осадка недостаточно велики. При отношении окружных поверхностей эластичного элемента с ребристой поверхностью и трубчатых мембранных модулей более 1.7 раза существенно возрастает износ мембран и повышается расход энергии. При оптимальном отношении окружных скоростей поверхностей эластичного элемента с ребристой поверхностью и трубчатых мембранных модулей, находящейся в диапазоне 1,2÷1,7, в осадке создаются достаточные сдвиговые напряжения, приводящие к его эффективному удалению и последующему смыву промывной жидкостью.

Таким образом, использование эластичного валикового элемента с ребристой поверхностью, а также устройства для подачи промывной жидкости позволяет снизить износ мембраны и повышает эффективность очистки поверхности и пор мембраны.

Опытно-промышленное испытание на ГКП «Чистая вода» и экспериментальные данные показали высокую эффективность разработанной технологии и водоочистки.

С целью дальнейшей реализации разработок мембранной очистки воды возможно представление:

- рекомендация по оценке и выявлению причин загрязнений поверхностных и подземных вод, управлению природопользованием;

- практических рекомендаций для проектирования, расчета и по рациональному выбору конструктивных и режимных параметров мембранных аппаратов для питьевой воды.

Литература:

1. Руководства по контролю качества питьевой воды. Т. 1-3. Гигиенические критерии и другая релевантная информация. – ВОЗ. – Женева, 1984-1987.

2. Мазаев В.Т., Шлепина Т.Г., Мандрыгин В.И. Контроль качества питьевой воды. - М.: Колос, 1999 – 168 с.

3. Schramm Thomas. Ultrafiltration of raw water-pre-treatment. VGB PowerTech. Int. Ed.. 2008. 88, № 1–2, р. 82–88, 6 ил.