Ультрафильтрация морской воды обычно встречается в схемах опреснения как ступень перед обратным осмосом. У неё есть и самостоятельное применение: она готовит воду для производств, которым соль не мешает, а вредят взвесь, муть и случайные частицы. Пример такого производства — промышленное выращивание микроводорослей. Их используют в косметике, аквакультуре, пищевой промышленности, кормах для животных и нутрицевтиках.
Морская вода на заборе нестабильна. После шторма в ней больше песка и мути, в тихую погоду меньше. Культура микроводорослей плохо переносит такие колебания: меняются условия роста, падает предсказуемость процесса. Нужна ступень очистки, которая выдаёт одинаковую воду при любом исходном качестве.
Ниже разобрано, как работает ультрафильтрация на морской воде, из каких узлов состоит установка, зачем ей три вида промывок и что означает цифра «выход 88,7%». Опорой служит описание реальной установки производительностью 12,5 м³/ч. Её спроектировала и поставила испанская J. Huesa Water Technology для португальской компании Necton, которая выращивает микроводоросли. Материал опубликован в Smart Water Magazine.
Зачем микроводорослям чистая морская вода
Микроводоросли выращивают в системах, где важна воспроизводимость: одинаковые условия от партии к партии дают биомассу одинакового качества. Вода в такой системе выполняет роль среды обитания культуры. Источник прямо называет её качество одним из самых критичных параметров процесса.
Что мешает в исходной морской воде:
- взвешенные вещества — песок, ил, органические хлопья, которые держатся в толще воды и не оседают сразу;
- мелкие частицы и коллоиды — настолько мелкие, что не выпадают в осадок даже за долгое время;
- мутность — оптическая характеристика воды, которая складывается из всего перечисленного.
Для культуры, которая растёт за счёт света, мутность имеет прямой физический смысл: частицы рассеивают и поглощают свет. Кроме того, вместе со взвесью в систему попадают посторонние примеси, а колебания их количества сбивают развитие культуры. Для оборудования взвесь означает износ, отложения и засоры.
Задача водоподготовки здесь узкая. Солёность трогать не нужно: морским видам микроводорослей она нужна. Требуется убрать твёрдое и выдавать воду со стабильно низкой мутностью независимо от погоды и сезона.
Как работает ультрафильтрация морской воды
Ультрафильтрация (УФ) относится к мембранному разделению. Вода продавливается через пористую перегородку, а всё, что крупнее пор, остаётся с другой стороны. Механизм физический, без химической реакции: мембрана работает как сито, у которого отверстия измеряются нанометрами.
В описываемой установке мембраны половолоконные. Это пучки тонких полых трубок, стенки которых и служат фильтрующей перегородкой. Вода идёт снаружи внутрь или изнутри наружу, через стенку волокна, а очищенная часть собирается и отводится. Такая конструкция упаковывает большую площадь фильтрации в компактный модуль.
Принципиальное отличие от отстойника или песчаного фильтра — в характере барьера. Отстойник работает за счёт того, что частица успевает осесть. Песчаный фильтр задерживает частицы в толще загрузки с вероятностью, которая зависит от скорости потока и состояния загрузки. Мембрана задерживает всё, что больше пор, почти независимо от того, сколько частиц пришло на вход. Поэтому источник подчёркивает главное свойство УФ: качество фильтрата по мутности и взвешенным веществам остаётся низким и стабильным при колебаниях исходной воды.
Растворённые вещества ведут себя иначе. Ионы солей на порядки мельче пор ультрафильтрационной мембраны и проходят сквозь неё свободно. Для выращивания морских микроводорослей это плюс: вода остаётся морской по составу, но без твёрдой фракции.
Работу мембраны контролируют по трансмембранному давлению — разнице давлений по обе стороны мембраны. Пока поверхность чистая, нужная производительность достигается при низком перепаде. По мере загрязнения перепад растёт. Именно этот показатель подсказывает, что пора промывать.
Схема установки: от дискового фильтра до бака чистой воды
Установка для выращивания микроводорослей устроена как последовательная цепочка. Каждая ступень защищает следующую.
Предочистка: самопромывной дисковый фильтр 150 мкм
Первый барьер — дисковый фильтр со степенью фильтрации 150 мкм. Он собран из пакета рифлёных дисков: вода проходит через узкие каналы между ними, крупные частицы застревают. Фильтр снимает песок, грубую взвесь и крупные включения.
Без этой ступени мембраны получали бы всю твёрдую нагрузку морской воды и забивались бы гораздо быстрее. Дисковый фильтр промывается автоматически, поэтому его очистка не требует частых остановок процесса.
Основная ступень: три ультрафильтрационных модуля
После предочистки вода идёт на три модуля УФ. Они снимают то, что дисковый фильтр пропустил: тонкую взвесь, мелкие частицы, остаточную мутность.
Бак ультрафильтрата 5 м³
Очищенная вода собирается в накопительный бак объёмом 5 м³. Он решает две задачи. Во-первых, сглаживает разницу между выработкой установки и потреблением культиваторов. Во-вторых, служит запасом чистой воды для автоматических последовательностей самой установки. Бак оборудован системой рециркуляции, чтобы реагенты для кондиционирования очищенной воды дозировались равномерно.
Основные параметры
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Расход исходной воды | 14,10 м³/ч |
| Расход ультрафильтрата | 12,50 м³/ч |
| Выход установки | 88,7% |
| Режим работы | 20 ч/сутки |
| Бак промывок BW-CEB-CIP | 4 м³ |
| Бак ультрафильтрата | 5 м³ |
При 20 часах работы в сутки это около 250 м³ очищенной морской воды в день при заборе около 282 м³.
Промывки мембран: обратная, CEB и CIP
Любая мембрана со временем покрывается тем, что задерживает. Это называют фаулингом — загрязнением поверхности и пор. Частицы образуют слой, органика налипает, на морской воде к этому добавляется биологическое обрастание. Если ничего не делать, трансмембранное давление растёт, а производительность падает.
В установке предусмотрены четыре механизма борьбы с этим. Они отличаются частотой и «жёсткостью».
| Процедура | Что происходит | Зачем |
|---|---|---|
| Обратная промывка (backwash, BW) | вода коротким импульсом идёт через мембрану в обратную сторону | срывает слой частиц с поверхности |
| Химически усиленная обратная промывка (CEB) | обратная промывка с добавлением реагента и выдержкой | снимает то, что водой не отрывается: органику, биоплёнку, отложения |
| Химическая мойка на месте (CIP) | циркуляция моющего раствора через модули без их демонтажа | глубокое восстановление мембраны, когда первые два способа уже не помогают |
| Воздушная продувка (air flush) | подача воздуха в определённых промывочных последовательностях | пузыри создают турбулентность и механически встряхивают волокна |
Под промывки выделен отдельный узел: бак BW-CEB-CIP на 4 м³, насосы и дозирующее оборудование для реагентов.
Логика простая. Частая и дешёвая гидравлическая промывка держит мембрану в рабочем состоянии изо дня в день. Химические процедуры случаются реже и возвращают то, что вода снять не может. Источник формулирует эффект так: сочетание плановых гидравлических и химических промывок держит трансмембранное давление и эффективность фильтрации стабильными. Оно же продлевает срок службы мембран и сокращает ручные вмешательства.
Что значит выход 88,7% и куда уходит остальная вода
Выход (recovery) — доля исходной воды, которая превращается в очищенную. Из 14,10 м³/ч на входе 12,50 м³/ч становятся ультрафильтратом, это и даёт 88,7%. Оставшиеся примерно 1,6 м³/ч тратятся на промывку мембран.
Важно понимать, откуда эти 1,6 м³/ч. В ультрафильтрации морской воды без постоянного сброса концентрата, как в обратном осмосе, потери воды почти целиком связаны с промывками. Каждая обратная промывка расходует уже очищенную воду и выносит задержанные частицы в сток. Чем грязнее исходная вода, тем чаще промывки и тем ниже фактический выход.
Высокий выход даёт два практических следствия. Меньше морской воды нужно забирать, а значит, меньше нагрузка на водозабор и насосы. Меньше образуется промывного стока, который содержит задержанную взвесь, а после химических промывок — ещё и отработанные реагенты. Этот сток нужно куда-то отводить, и его объём прямо влияет на стоимость эксплуатации.
Цифру выхода стоит воспринимать как проектную. Она получена при определённых допущениях о качестве исходной воды. На более мутной воде установка будет промываться чаще, и реальный выход может отличаться.
Автоматика и поставка на раме
Ультрафильтрация с несколькими видами промывок — это постоянная смена режимов: фильтрация, обратная промывка, CEB, возврат в работу. Вручную такой ритм не выдержать, поэтому установкой управляет программируемый логический контроллер (ПЛК). Он сам переключает стадии очистки и промывок.
Оператор работает через сенсорную панель с диагональю 7 дюймов. С неё можно смотреть состояние установки, запускать и останавливать оборудование, менять параметры, просматривать историю аварий и тренды. Предусмотрена и возможность удалённого доступа для диагностики.
Для биотехнологического процесса это существенно. Культура микроводорослей не может ждать, пока кто-то заметит рост перепада давления и вручную запустит мойку. Стабильность водоподготовки напрямую переходит в стабильность производства.
Отдельно стоит отметить формат поставки. Установку собрали и испытали на заводе изготовителя, а на площадку привезли готовым модулем на раме (так называемый skid). Такой подход сокращает монтаж на месте, ускоряет пусконаладку и снижает риски полевой сборки. Для компактных установок порядка 10–15 м³/ч это распространённая практика.
Границы метода
Ультрафильтрация хорошо решает одну задачу — отделяет твёрдое от жидкого. Всё, что за пределами этой задачи, она не делает или делает плохо.
Не убирает растворённые соли. Ионы проходят через мембрану. Если производству нужна пресная или обессоленная вода, УФ становится только предочисткой перед обратным осмосом.
Не убирает растворённые вещества в целом. Растворённая органика, биогенные элементы, растворённые газы в основном проходят в фильтрат. Если проблема исходной воды именно в них, нужны другие методы: сорбция, окисление, биологическая очистка.
Не меняет химический состав воды. Корректировку под нужды культуры делают отдельно. В описанной установке для этого и предусмотрено дозирование реагентов в бак ультрафильтрата с рециркуляцией.
Не работает без предочистки. Песок и крупная взвесь быстро забивают и могут механически повредить волокна. Дисковый фильтр в схеме обязателен.
Зависит от дисциплины промывок. Пропущенные CEB и затянутые CIP ведут к необратимому загрязнению мембраны, когда производительность уже не восстанавливается мойкой. На морской воде с её биологической активностью этот риск выше, чем на пресной.
Даёт отходы. Промывной сток с задержанной взвесью и отработанные растворы химических моек надо отводить и, при необходимости, обезвреживать. Высокий выход уменьшает их объём, но не убирает.
Требует контроля целостности. Барьер работает, пока волокна целы. Разрыв волокна пропускает неочищенную воду, а по общему расходу его не видно. Поэтому за качеством фильтрата следят отдельно.
Проектные цифры — не гарантия на любой воде. Выход 88,7% и производительность 12,5 м³/ч относятся к конкретной установке, конкретному водозабору и конкретным требованиям. Перенести их на другой объект без пилотных испытаний нельзя.
Что с этим делать
Если вы готовите морскую воду для культивирования, аквакультуры или другого процесса, где солёность нужна, а взвесь мешает:
- Сформулируйте, что именно мешает. Если проблема — мутность, взвесь и колебания качества, ультрафильтрация подходит. Если растворённые вещества или соли — она не поможет, нужна другая или дополнительная ступень.
- Соберите данные по исходной воде за разные сезоны. Мутность и взвесь в морской воде сильно меняются. Проектировать по одной пробе, взятой в штиль, значит заложить заниженную частоту промывок и завышенный выход.
- Заложите предочистку и узел промывок с самого начала. Дисковый фильтр, отдельный бак под промывки, дозирование реагентов и воздушная продувка — это рабочие узлы, а не опции.
- Посчитайте промывной сток. Объём, состав и куда он уходит. Это часть эксплуатационных затрат и часть разрешительной документации.
- Требуйте автоматики и контроля трансмембранного давления. Без автоматического управления промывками и истории трендов мембраны изнашиваются быстрее, чем обещано в проекте.
Источник: Water treatment for microalgae cultivation using ultrafiltration