Ультрафильтрация на речной воде: как мембрана переживает паводок
Горная река большую часть года даёт прозрачную воду, и ультрафильтрация на ней работает спокойно. Проблемы начинаются после ливня или в снеготаяние: мутность за несколько часов вырастает в десятки раз, давление на мембране растёт, а производительность падает именно тогда, когда воды нужно больше всего. Чтобы этого не случилось, режим установки рассчитывают не по средней воде, а по худшей неделе года.
Почему ультрафильтрацию ставят на поверхностную воду
Ультрафильтрация — мембранное разделение с порами порядка сотых долей микрона. Мембрана задерживает взвесь, коллоиды, бактерии и большую часть вирусов независимо от того, насколько мутной пришла вода. Зернистый фильтр работает иначе: он задерживает частицы в толще загрузки, и при резком скачке мутности часть взвеси проскакивает. Картридж задерживает всё, но на речной воде забивается за часы и превращается в расходный материал без конца.
Поэтому для реки, водохранилища или открытого водозабора ультрафильтрацию часто выбирают как основной барьер. Качество фильтрата у неё стабильно. Нестабильны другие величины — давление, частота промывок и производительность. Именно их приходится держать под контролем, когда река меняется.
Растворённые вещества мембрана не задерживает. Соли, жёсткость, растворённое железо и большая часть цветности проходят через неё. Если они мешают, нужны другие ступени, а где проходит граница с обратным осмосом, разобрано в статье Ультрафильтрация против обратного осмоса.
Что происходит с мембраной при скачке мутности
Установка работает циклами. Несколько десятков минут идёт фильтрация, затем короткая обратная промывка фильтратом сбрасывает накопленный слой с поверхности мембраны. Показатель состояния мембраны — трансмембранное давление (разница давлений до и после мембраны). Пока после каждой промывки оно возвращается к исходному значению, загрязнение обратимое и мембрана в порядке.
При паводке слой на поверхности нарастает быстрее, чем рассчитан цикл. Давление к концу фильтрации растёт круче, промывка снимает слой не полностью, и каждый следующий цикл начинается с чуть более высокой точки. Это необратимая часть загрязнения. Её снимает только химическая промывка, а если и она не возвращает давление, мембрана теряет ресурс.
Мутность — не единственная причина. Речная вода несёт растворённую органику и тонкие коллоиды, которые проникают в поры и плохо смываются водой. Летом к ним добавляется биологическое обрастание, его признаки и способы борьбы описаны в статье Биообрастание мембран.
Запас закладывают при подборе
Главный параметр подбора — удельный поток, или флакс: сколько литров фильтрата проходит через квадратный метр мембраны за час. Для хорошей подземной воды флакс можно брать высоким. Для речной воды с паводками его берут заметно ниже, а значит, на тот же расход нужно больше площади мембраны. Это главный запас на мутность, и купить его потом нельзя: добавить модули в готовую раму обычно сложнее, чем сразу выбрать установку побольше.
Второй запас — объём фильтрата для промывок. Обратная промывка расходует часть уже очищенной воды, обычно несколько процентов от производства. В паводок промывки идут чаще, и эта доля растёт. Ёмкость фильтрата и насос промывки должны выдерживать учащённый режим.
Третий запас — место для химии. Химически усиленная промывка (обратная промывка с добавкой щёлочи, кислоты или окислителя) в паводок нужна чаще. Если узел дозирования рассчитан на редкие промывки, он становится узким местом.
Отдельно учитывают температуру. Холодная вода вязче, и при том же давлении через мембрану её проходит меньше: зимой, при температуре воды около нуля, производительность одной и той же установки заметно ниже, чем летом. В горах снеготаяние совпадает с холодной водой и высокой мутностью одновременно, поэтому весенний паводок для ультрафильтрации обычно тяжелее летнего ливня. Расчёт ведут по минимальной температуре воды, а не по средней.
Предочистка и встроенная коагуляция
Перед ультрафильтрацией почти всегда стоит сетчатый или дисковый фильтр тонкой очистки: он защищает модули от песка, листьев и острых частиц, которые повреждают волокна. Это обязательный узел, а не опция.
Если паводковая мутность умеренная, помогает коагуляция прямо перед мембраной. Небольшая доза коагулянта собирает тонкие коллоиды в микрохлопья. Хлопья образуют на мембране рыхлый слой, который лучше смывается обратной промывкой, а растворённой органики проходит меньше. Отстойник при этом не нужен, но доза должна меняться вместе с качеством реки. Оборудование для этого — в разделе станции дозирования.
Если река после ливня несёт глину сотнями единиц мутности, одной коагуляции перед мембраной мало. Тогда основную массу взвеси снимают отдельной ступенью осветления. Как выбрать между ламельным отстойником и флотацией, разобрано в статье Мутная речная вода: ламельный отстойник или флотатор DAF.
Как понять, что режим выбран верно
Режим проверяют по нескольким сопоставимым показателям. Их удобно сравнивать в обычный день и в паводок.
| Показатель | Обычная вода | Паводок | Что делать при отклонении |
|---|---|---|---|
| Мутность на входе | низкая, стабильная | растёт в десятки раз за часы | включить или увеличить коагуляцию, при необходимости — ступень осветления |
| Трансмембранное давление в конце цикла | почти не растёт от цикла к циклу | растёт заметно | сократить цикл фильтрации, снизить флакс |
| Давление после обратной промывки | возвращается к исходному | возвращается не полностью | провести химически усиленную промывку |
| Частота промывок | по расчёту | чаще расчётной | проверить запас фильтрата и производительность насоса промывки |
| Мутность фильтрата | низкая | остаётся низкой | рост мутности фильтрата — признак повреждения волокна, проверить целостность |
Последняя строка важна для питьевой воды. Ультрафильтрация защищает только тогда, когда волокна целы. Тест целостности (подача воздуха под давлением и контроль его утечки через мембрану) выполняют по регламенту установки. После ультрафильтрации всё равно ставят обеззараживание: оно защищает накопительную ёмкость и сеть, где вода стоит и может вторично загрязниться. Установки — в разделе УФ-обеззараживание.
Промывные воды тоже надо куда-то девать. Это несколько процентов от расхода с концентрированной взвесью, а после химической промывки — с остатками реагентов. Их отвод продумывают заранее: куда сбрасывать, нужна ли нейтрализация и выдержка.
Что дальше
Соберите данные о реке за год, а не по одной пробе. Нужны мутность и взвешенные вещества в обычный день и после сильного дождя, цветность, перманганатная окисляемость, pH, температура воды зимой и летом. Отметьте, сколько дней в году вода мутная и как быстро она светлеет после ливня. Что заказывать в лаборатории, описано в статье Анализ воды.
Затем определите расход в час и в сутки, пиковое потребление и объём накопительной ёмкости: запас чистой воды позволяет пережить паводок без перегрузки мембраны. С этими данными откройте раздел ультрафильтрация и подбирайте установку по сниженному флаксу, с запасом площади мембраны на худшую неделю года.
