УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ, ВНЕСЕННЫЕ В ФИЛЬТРАЦИЮ НА МЕМБРАНАХ Российский патент 2004 года по МПК B01D65/08 C02F1/44 C02F1/52 

Предлагаемое изобретение касается усовершенствований, вносимых в фильтрацию на мембранах жидких отходов, содержащих вещества во взвешенном состоянии, в частности в фильтрацию воды, с целью уменьшения или полного устранения засорения мембран и повышения их фильтрационной способности.

Известно, что мембранные фильтры (обеспечивающие микро-, ультра-, нано- или гиперфильтрацию) весьма чувствительны к засорению субстанциями различных типов, а именно растворенными субстанциями типа органических материалов, субстанциями в коллоидном состоянии типа гидроокислов металлов или, в общем случае, субстанциями, находящимися во взвешенном состоянии (или сокращенно MeS, то есть Matieres en Suspension). Такое засорение мембраны приводит к весьма существенному снижению фильтрующей способности этой мембраны, причем снижение ее фильтрующей способности в результате такого засорения не всегда оказывается обратимым. Эффективность очистки мембранных фильтров в значительной степени зависит от различных факторов, таких, например, как фактическое время присутствия загрязняющего вещества на мембране, относительная растворимость этого загрязняющего вещества в очищающих средствах, а также химические или физико-химические взаимодействия между этими загрязняющими веществами и поверхностью мембраны, причем этот последний фактор является в высшей степени изменчивым в зависимости от химического состава полимера, образующего данную мембрану.

Кроме того, известно (смотри, в частности, документ "Memento Technique de 1'Eau", том 1, глава 3.1 и глава 4.1, издание DEGREMONT, 1989 год), что коагуляция облегчает удаление коллоидных веществ и веществ, находящихся во взвешенном состоянии. В частности, специалисту в данной области техники известно, что коагуляция при помощи солей металлов позволяет обеспечить дестабилизацию коллоидных систем и вызвать выпадение в осадок некоторых органических веществ после адсорбции, например, при использовании гидроокислов металлов. Для того чтобы характеризовать это явление, существует несколько различных подходов:
- путем исследования процесса коагуляции и флоккуляции (то есть образования хлопьев) в лабораторном стакане с использованием различных доз соли металла и оценки, например, скоростей отстаивания,
- путем измерения дзета-потенциала (рZ) и, особенно, оценки изменения этого дзета-потенциала pZ в зависимости от добавленных доз соли металла вплоть до определения такой дозы этой соли, которая приводит к полной ликвидации этого потенциала pZ и которая, таким образом, соответствует требуемой степени обработки для получения оптимальной коагуляции.

Оба этих подхода приводят к определению дозы вещества для коагуляции или так называемой "оптимальной дозы коагуляции", которая в соответствии с опытом, приобретенным специалистом в данной области техники, представляет собой дозу, которая позволяет обеспечить наилучшее осветление воды в процессе ее обработки и которая, следовательно, будет обеспечивать наилучшие условия работы для мембранного фильтра (то есть условия, обеспечивающие его наименьшее загрязнение).

Недостаток процесса обработки с использованием так называемой оптимальной дозы реактива для коагуляции состоит в том, что эта доза является относительно высокой и существенным образом сказывается на эксплуатационной стоимости обработки осветления, а также на объеме капиталовложений в соответствующее оборудование.

В то же время следует отметить, что большинство поставщиков мембранных фильтров, предназначенных для нанофильтрации и обратного осмоса, требуют под угрозой лишения гарантии на эти мембранные фильтры запитывать их только водой, полностью лишенной или, по меньшей мере, с очень малым содержанием двух- или трехвалентных тяжелых металлов, таких, например, как ионы трехвалентного железа.

Так, например, в специальной литературе многочисленные публикации описывают использование или введение одной или нескольких солей металлов перед обработкой жидкости на мембранных фильтрах. Здесь следует подчеркнуть, что в этих публикациях упоминаются дозы, близкие к тем дозам, которые приводят к полной ликвидации потенциала pZ, или по меньшей мере достаточно высокие дозы, близкие к 30% и более, от так называемой оптимальной дозы, необходимой для полной ликвидации потенциала pZ.

Наконец, из патента US 5198116 известен способ фильтрации жидкости на мембранах для обратного осмоса, характеризующийся добавлением антизагрязнителя в разных концентрациях, измерением электрического потенциала, определением оптимального подхода к очистке мембраны в зависимости от параметра, измеренного при проходе антизагрязнителя с предпочтительной концентрацией через мембрану. Это решение стоит наиболее близко к целям и задачам, решаемым настоящим изобретением.

Техническая задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить способ, позволяющий минимизировать или, по меньшей мере, уменьшить засорение мембранных фильтров и увеличить их фильтрующую способность при повышении экономичности данного способа. Для достижения заявленного результата необходимо решить следующие технические проблемы:
- существенно повысить удельный поток производительности (выраженный в л•час^-1•м^-2 через данную мембрану);
- произвести минимальное количество грязи в виде ила (например, гидроокислов) в результате обработки осветления;
- и особенно, уменьшить потребную площадь поверхности подлежащих установке мембранных фильтров для обработки одного и того же объема воды.

Заявитель установил, действительно удивительным для специалиста в данной области техники образом, что доза реактива для коагуляции, которая оказывается значительно меньшей, чем та доза этого реактива, которая обеспечивает полную ликвидацию дзета-потенциала в обрабатываемой воде, позволяет существенно повысить фильтрационную способность мембраны.

Таким образом, объектом предлагаемого изобретения являются усовершенствования, вносимые в фильтрацию на мембранах, в частности в микро-, ультра-, нано- или гиперфильтрацию, жидких отходов, содержащих вещества во взвешенном состоянии, в частности воды, с целью уменьшения степени загрязнения мембран и повышения их фильтрационной способности, отличающиеся тем, что эти усовершенствования состоят в добавлении к подлежащим фильтрации жидким отходам перед их прохождением через фильтрующие мембраны некоторой дозы реактива для коагуляции, дестабилизирующего находящиеся во взвешенном состоянии коллоидные вещества, причем эта доза имеет величину, которая примерно от 30 до 80 раз меньше, чем величина дозы этого реактива для коагуляции, которая приводит к полной ликвидации дзета-потенциала.

В соответствии с предпочтительным вариантом использования способа в соответствии с предлагаемым изобретением эта доза реактива для коагуляции имеет величину, примерно от 40 до 60 раз меньшую, чем величина той дозы реактива для коагуляции, которая приводит к полной ликвидации дзета-потенциала.

Область применения предлагаемого изобретения является достаточно широкой. Действительно, это изобретение можно использовать, в частности, для обработки на мембранных фильтрах воды из различных источников, таких, например, как:
- городские сточные воды после биологической обработки и разделения, позволяющего обеспечить содержание MeS в этих водах на уровне менее 20 мг/л;
воды, не требующие предварительного удаления органических веществ и в которых общее содержание органического углерода (СОТ) составляет менее 2 мг/л;
- сырые поверхностные воды с малым уровнем содержания СОТ и высоким коллоидным наполнением, содержащие MeS на уровне менее 200 мг/л.

Способ по изобретению дает превосходные результаты в том случае, когда он применяется к мембранным фильтрам различных форм (капиллярным, трубчатым, плоским, спиральным) с внутренней или наружной пленкой, имеющим различные конфигурации (с кожухом, без кожуха и погруженные в бассейн). Предлагаемое изобретение подходит также для случаев применения, связанных с орошением рекреативных зон, с повторным использованием отработанной технической воды на заводах и, в более общем случае, с предварительной обработкой воды перед установками обессоливания или опреснения при помощи эффекта обратного осмоса.

Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания этого изобретения, где даются ссылки на фигуры и на приведенные в последующем изложении численные примеры его реализации, причем среди упомянутых фигур:
- фиг. 1 представляет собой схематический вид, иллюстрирующий введения реактива, предназначенного для коагуляции, например соли металла, в частности соли железа, перед мембраной в циркуляционном кожухе;
- фиг.2 также представляет собой схематический вид, иллюстрирующий введение реактива для коагуляции перед погруженной мембраной без кожуха.

На обеих фигурах идентичные или подобные друг другу элементы обозначены одними и теми же цифровыми позициями.

В способе реализации, схематически представленном на фиг.1, реактив для коагуляции вводится по линии 2 в подлежащую обработке воду 1 и смесь этой подлежащей обработке воды и реактива для коагуляции подвергается фильтрации на мембране в кожухе 4. Данная система содержит контур рециркуляции 5. Позицией 3 обозначена линия выхода обработанной воды.

В примере реализации, схематически проиллюстрированном на фиг.2, реактив для коагуляции 2 вводится в подлежащую обработке воду 1, причем полученная таким образом смесь подвергается затем фильтрации на мембране 6 без кожуха, погруженной в бассейн, содержащий подлежащую обработке воду. В данном случае обработанная вода 3 удаляется при помощи насоса.

Ниже приведены два примера осуществления, представленные таким образом, чтобы наглядно выявить технические эффекты и преимущества, вносимые при помощи этого изобретения.

Пример 1: Обработка городских сточных вод.

Были выполнены испытания по биологической обработке городских сточных вод, поступающих из биореактора с текстильной мембраной, которая была описана в заявке FR-A-2775911.

Качество воды на выходе из этого реактора определялось следующими параметрами, мг/л:
Общее содержание DCO - 40
Общее содержание DBО5 - <10
Содержание MeS - 5
Содержание СОТ - 6
В лабораторных испытаниях было установлено, что доза реактива для коагуляции, которая приводит к полной ликвидации дзета-потенциала (рZ), составляет 140 мг/л FеСl₃ (выраженного в чистом FеСl₃). Оптимальная доза реактива для коагуляции, оцененная по образованию хлопьев в лабораторном стакане и предназначенная для снижения содержания органических веществ (оцениваемых путем поглощения в UV на 254 нм), составляет 110 мг/л.

Расход обработанной воды, поступающей из реактора с текстильной мембраной, составлял 1 м³/чac. Стабилизированный поток через капиллярную мембрану для ультрафильтрации в данном случае составлял 32 л•час^-1•м^-2. В том случае, когда использовалось небольшое количество реактива для коагуляции путем введения в линию 3 мг/л FеСl₃ (выраженного в чистом FеСl₃), стабилизированный поток устанавливался на уровне 100 л•час^-1•м^-2.

Обратная промывка была осуществлена при использовании содержания хлора на уровне 5 мг/л на протяжении 30 секунд через каждые 30 минут, а также время от времени, например один раз в месяц, с аммиачной лимонной кислотой. Воды обратной промывки были переведены в головную часть биологического реактора с текстильной мембраной.

В этом примере для обработки 1 м³/час без реактива для коагуляции был обеспечен поток на уровне 35 л•час^-1•м^-2 и для этого требовалось, соответственно, использование 28,5 м² площади мембраны. Зато при введении 3 мг/л FеСl₃ получают поток на уровне 100 л•час^-1•м^-2 и потребность в площади мембраны в данном случае составила 10 м². Это соответствует увеличению потока на 285% и экономии по меньшей мере 18,5 м² или 65% от площади мембраны.

Степень образования ила в данном случае была оценена примерно на уровне 8 мг/л при введении 3 мг/л FеСl₃ вместо 5 мг/л без добавления реактива для коагуляции. Однако эта степень остается значительно меньшей, чем степень образования ила, которая будет обеспечена при введении 125 мг/л FеСl₃, или более 90 мг/л образованного ила.

Ясно, что изложенный выше опыт и результаты, которые он позволяет получить, идут наперекор опыту специалиста в данной области техники и сведениям, которые он может почерпнуть из существующего уровня техники. Действительно:
- увеличение потока через мембрану путем неполной очистки (при использовании дозы коагулянта, значительно меньшей, чем оптимальная доза этого коагулянта для очистки) и
- использование агента для коагуляции (в частности, соли железа) в небольших количествах, но все же значительно превышающих то его содержание, которое обычно запрещается для использования подавляющим большинством производителей и поставщиков мембран, находятся в полном противоречии с обычными навыками использования общедоступных мембран.

Пример 2: Обработка сырой поверхностной воды.

Испытания были основаны на сырой воде, взятой из Сены, причем характеристики этой воды были следующими:
Мутность - 15 NTU
Органические материалы - 5 мг/л O₂ (окисляемость с KMnO₄)
СОТ - 3 мг/л
UV - 8 м^-1
В лабораторных испытаниях доза реактива для коагуляции, которая приводит к полной ликвидации потенциала pZ, имеет величину 55 мг/л FеСl₃.

Расход обработанной воды составлял 150 л/час. Стабилизированный поток через капиллярную мембрану ультрафильтрации составлял 80 л•час^-1•м^-2. Путем использования небольшого количества реактива для коагуляции и введения в линию 2 мг/л FеСl₃ (выраженного в чистом FеСl₃) максимальный стабилизированный поток улучшался на 30%.

Обратная промывка была осуществлена с использованием 5 мг/л хлора на протяжении 30 секунд через каждые 30 минут.

В описанном выше примере, где была проведена предварительная обработка сырой поверхностной воды с целью ее последующей обработки при помощи обратного осмоса, также была отмечена существенная экономия потребной площади поверхности фильтрующей мембраны. При этом не обеспечивается полное устранение СОТ, но поток оказывается улучшенным.

Из приведенного выше описания следует, что предлагаемое изобретение позволяет эффективно ограничить степень засорения мембран, существенно повышая при этом их фильтрационную способность, что выражается в весьма значительных экономических преимуществах, связанных, в частности, с уменьшением потребной площади поверхности устанавливаемой мембраны для обработки одного и того же объема воды.

Разумеется, должно быть понятно, что это изобретение не ограничивается упомянутыми выше примерами его использования и/или применения и/или описанными здесь примерами реализации, но охватывает все возможные варианты.

Усовершенствования, внесенные в фильтрацию на мембранах, в частности микро-, ультра-, нано- или гиперфильтрацию жидких отходов, содержащих вещества во взвешенном состоянии, в частности воды, состоят в добавлении к жидким отходам перед их прохождением через эти фильтрующие мембраны некоторой дозы реактива для коагуляции, дестабилизирующего находящиеся во взвешенном состоянии коллоидные вещества. Эта доза имеет величину, примерно в 30-80 раз меньшую, чем величина дозы, которая приводит к полной ликвидации дзета-потенциала. Технический результат: уменьшение степени загрязнения мембран и повышение их фильтрационной способности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ фильтрации на мембранах, в частности, микро-, ультра-, нано- или гиперфильтрации жидких отходов, содержащих вещества во взвешенном состоянии, в частности, воды, который состоит в добавлении к жидким отходам перед их прохождением через фильтрующую мембрану некоторой дозы реактива для коагуляции, дестабилизирующего находящиеся во взвешенном состоянии коллоидные вещества, причем эта доза имеет величину, примерно от 30 до 80 раз меньшую, чем величина той дозы реактива для коагуляции, которая приводит к полной ликвидации дзета-потенциала.2. Способ по п.1, в котором упомянутая доза имеет величину, примерно от 40 до 60 раз меньшую, чем величина дозы, которая приводит к полной ликвидации дзета-потенциала.