ПРИМЕНЕНИЕ МЕМБРАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД. Мембранные технологии для очистки сточных вод
Очистка сточных вод с применением мембран: технологии, биореактор
.
Технология очищения канализационных сточных вод с использованием мембранного биологического реактора в наши дни становится весьма востребованной, поскольку эпоха, которая ознаменована доступностью высококачественной жидкости, которая пригодна для питья и приготовления пищи постепенно завершается.
Сегодня в производственных условиях сточные воды все чаще очищаются мембранным методом
Очистка и технология процесса
Вода в бутылях, в широком ассортименте представленная на полках продуктовых магазинов и супермаркетов, постепенно становится нормой, которая отображает современные реалии, хотя еще не так давно, подобный тип воды казался чем-то необычным, и даже фантастическим.
Более того, все больше людей на планете задумываются над тем, чтобы осваивать и развивать технологии очистки сточных вод, которые позволяют значительно сократить и эффективно использовать потребление жидкости.
Причиной подобных изменений являются сразу несколько факторов, которые заключаются в:
- изменении климата и состоянии окружающей среды;
- постоянно растущих финансовых вложений на очищение и транспортировку водных ресурсов, которые применяются для обеспечения водой потребителей;
- регулярно ухудшающемся качестве воды для питья, вызванной проблемами в подающих магистралях.
Очистка, как возможность обрести «чистую» воду
На сегодняшний день большинство архитектурных сооружений и современных домостроений проектируются таким образом, чтобы обеспечить возможность сбережения жидкости, путем её повторного использования.
Весьма популярным является водоснабжение частных домов и других объектов, когда перерабатывается сточная вода в «серую» воду при применении специальных систем, основу которых составляют мембранные методы очистки сточных вод, включая мембранные биологические реакторы.
Очищенную таким образом жидкость можно с успехом применять для:
- чтобы производить уборку в помещениях;
- осуществления смыва в санузлах;
- орошения приусадебного участка.
Очищенная сточная вода может использоваться для полива участка
Следует отметить, что очищенная подобным образом вода, согласно зарубежным стандартам, относится к категории чистых и безопасных жидкостей. В последнее время аналогичные системы, отвечающие за очищение воды, применяются не только в условиях масштабных проектов, но и как уже было указано выше, в зданиях и домостроениях, имеющих небольшую площадь.Применять такие системы можно при имеющемся подключении к городскому централизованному водоснабжению, и благодаря их компактности разместить их можно в подвальном помещении. Помимо того, что подобные системы помогают значительно сэкономить водные ресурсы, они на порядок уменьшают нагрузку, которую испытывают канализационные системы, а также муниципальные сооружения для очистки воды.
Альтернативный метод очистки
Мембранная очистка сточных вод с применением биологического реактора позволяет одновременно обрабатывать их, применяя активный ил, а также механическим способом фильтровать воду.
Мембрана, установленная в специальном модуле, отвечает за процесс сепарации иловых смесей, и является хорошей альтернативой популярных методов осаждения активных иловых смесей во вторичном отстойнике. Именно такие методы активно применяются в классической системе биологического очищения вторичной воды.
Использование мембранного биологического реактора для очистки бытовых стоков позволяет производить высококачественную «серую» воду, которая пригодна для подачи в поливные индивидуальные или городские системы, а также для безопасного сброса в естественный водоем. Бесспорным преимуществом, которым обладает данный способ очистки воды, является:
- компактность систем очищения;
- возможность применения для установки новых и модернизации старых водопроводных систем и сооружения для очистки;
- особенности конструкции, которые предотвращают возможное попадание ила и других загрязнителей в очищенную жидкость.
Производители подобных систем предлагают вниманию клиентов несколько основных типов биологических реакторов для очистки, основной отличительной чертой которых является способ расположения мембран.
Реакторы, которые используют внутренние мембраны, изготавливаются таким образом, что они становятся составной частью всей системы. Для реактора с внешним типом расположения мембран требуется дополнительная установка насосных систем, которые обеспечат промежуточное перекачивание жидкости.
Доступность – залог спроса
Благодаря активному внедрению в производственные процессы современных технологий и инноваций, стоимость мембран для очистки значительно снизилась. что спровоцировало повышение спроса на подобные системы.
В зависимости от конфигурации оборудования, биологические реакторы активно используются для очистки как бытового, так и промышленного стока, что явно указывает на растущие возможности подобных систем и их универсальность. Особенно значимую роль в использовании таких реакторов имеет биологическая очистка, позволяющая избавиться от микроорганизмов и бактерий без применения дополнительных веществ.
Помимо растущих показателей доступности систем, на руку популярности играет широкий спрос на рынке недвижимости на LEED сертификацию. Наличие системы рециркуляции воды позволяет значительно повысить уровень экологической безопасности здания, а также снизить негативное влияние на состояние окружающей среды.
Применяемый в архитектурном сооружении биореактор для очистки сточных вод, согласно заключению компании, администрирующей LEED сертификации в Соединенных Штатах Америки, значительно приближает его к выдвигаемым нормам, делая проект практически идеальным с точки зрения экологии.
В действительности, в наши дни большое количество энергетических и строительных ресурсов идут на то, чтобы обеспечить транзит сточных вод к сооружениям для очистки. Кроме того, очищенные таким образом жидкости сбрасываются в естественные водоемы, откуда впоследствии осуществляется повторный забор, и после очистки вода снова поступает потребителям, благодаря применению специальной энергоемкой насосной установки.
Установка мембранного биологического реактора позволяет сэкономить финансы
Подобная транспортировка делает воду дорогостоящим ресурсом, тогда как благодаря установке биологического реактора можно сэкономить средства и позаботиться о природных ресурсах.Немного истории
Замена традиционных отстойников активных иловых отложений системой мембранной очистки была встречена весьма позитивно, но на протяжении многих лет её активному внедрению мешала:
- высокая стоимость таких технологичных систем;
- низкая экономическая стоимость «серой» воды;
- низкие эксплуатационные характеристики мембран.
Исходя из этого, первые модели биологических реакторов устанавливались исключительно в сооружениях для очистки, которые характеризовались особенными потребностями. Наиболее популярным местом для установки подобной системы являлись отдаленные горнолыжные курорты.
В конце восьмидесятых годов ситуация в корне изменилась, поскольку инженерами корпорации «Ямамото» было принято революционное решение по погружению мембраны внутрь биологического реактора, что значительно повысило показатели долговечности всей системы.
Подобный принцип расположения мембран, позволял значительно сократить потребление энергии, а также сделал очистку более качественной. Сток, на котором устанавливалась такая система, имел более высокие показатели и характеристики.
Следующим шагом, который повлиял на развитие систем биологических реакторов, стала идея использования двухфазной пузырьковой жидкости для определения уровня загрязнений. Благодаря подобной системе, инженерам удалось автоматизировать очистительные процессы.
В сочетании с низкими эксплуатационными и энергетическими затратами систем с внутренним расположением мембран, а также удешевлением самих мембран, уровень популярность подобных систем уже в середине девяностых годов достиг серьезных показателей.
Позитивное влияние на популярность оказала также постоянная модернизация систем, которая заключалась :
- в использовании улучшенных типов мембран;
- оптимизации скорости потока сточной воды;
- изменении конфигурации.
Учитывая широкое разнообразие выпускаемых систем, производителями была разработана система по контролю над рабочими параметрами биологических реакторов, а также внедрена система обратной промывки, позволяющая им функционировать без сбоев на протяжении длительного времени без серьезных энергетических затрат.
Главный недостаток мембранного биологического реактора — снижение производительности в ходе эксплуатации
Следует отметить, что, даже не смотря на подобные модификации, показатели производительности биологического реактора в процессе эксплуатации несколько снижаются, и именно данная особенность по сегодняшний день является главным недостатком подобных систем.Особенности эксплуатации
Для того чтобы продлить период эксплуатации и поддерживать оптимальный уровень энергетической эффективности, мембранные биореакторы для очистки сточных вод необходимо регулярно очищать от отложений органического и минерального характера. Рекомендуется также промывать мембранные блоки. Данная процедура в современных моделях биологических реакторов осуществляется в автоматическом режиме. Проведение подобной процедуры рекомендуется не менее двух раз в год.
Биотехнологический синтез является основой функционирования биологического реактора, в котором, также происходят процессы, отвечающие за разделение водной суспензии с использованием ультрафильтров полимерной мембраны. Такие системы оборудованы специальной аэро-стенкой и мембранным модулем.
Данное приспособление включает в себя микрофильтры либо ультрафильтрационные половолоконные мембранные устройства.
- Сточные воды поступают в аэростенки, где происходит циркуляция смеси активного ила сквозь модули мембран.
- Мембрана ультрафильтрации в данной конструкции служит для обработки большого количества активных иловых отложений.
- Процесс фильтрации в таких системах происходит благодаря вакууму, который создается на внешней поверхности волокон мембраны самовсасывающих фильтрационных насосных систем.
- Процесс организации фильтрации происходит благодаря различным показателям давления внутри блоков, а также поверхностях мембраны, по причине чего жидкость и попадает внутрь, в результате чего и происходит отделение частиц грязи от самой жидкости.
- Жидкость внутри аэростенки проходит процесс глубокой биологической очистки, благодаря чему упрощается дальнейшая процедура.
- Вода, прошедшая первые этапы очищения, в дальнейшем направляется по напорному водопроводу для борьбы с микробами и другими болезнетворными организмами, тогда как активные иловые отложения поддерживаются во взвешенном состоянии.
Следует отметить, что от уровня концентрации иловых отложений зависит качество и скорость очистки, активный ил способствует тому, чтобы очищенный таким образом сток мог быть в кротчайшие сроки повторно использован.
Отличие от предшественников
Несмотря на то, что подобные системы постепенно внедряются в архитектурные сооружения и домостроения по всему миру уже на протяжении многих лет, настоящая популярность их только приходит.
Связанно это с тем, что все больше людей по всему миру начинают задумываться над необходимостью сохранения природных ресурсов, а также экономии энергетических ресурсов, которыми нас, прямо или косвенно, также обеспечивает природа.
Современный человек стремится экономить на тех вещах, которые возможно использовать более эффективно, поэтому все больше людей при строительстве или модернизации собственных домостроений отдают предпочтение именно биологическим реакторам.
Значительный прогресс и совершенствование технологий очистки воды позволяет использовать такие системы и в условиях больших объемов сточных вод. Применение подобных систем в местах массового скопления или проживания людей ранее было невозможным, тогда как сегодня многие отели и спортивные комплексы имеют в структуре водоотведения системы очистки, позволяющие ежемесячно экономить значительные суммы.
vodospec.ru
Мембранные технологии очистки сточных вод
Очистка сточных вод - производится разными способами, которые разделяют загрязненные воды на чистую воду и твердые вещества. Очищенную воду используют для технических целей, твердые частицы утилизируют.
Наиболее эффективным методам очистки - являются мембранные технологии.
В оборудование этого способа входит биологическая обработка и механическая мембранная фильтрация.
Мембранные технологии очистки сточных вод можно применять при большом содержании активного ила. Они удаляют вирусы, твердые частицы и различные опасные микроорганизмы.
Существует два способа установки такого оборудования.
1. Мембраны непосредственно устанавливают в воду.
2. Оборудование представляет собой отдельную емкость, куда сточные воды поступают с помощью насоса.
1. Производится глубокая очистка. 2. Исключена возможность выноса ила в резервуар с чистой водой. 3. Существует возможность увеличить или уменьшить производительность. 4. Очищенную воду можно сбрасывать в водоем и использовать для полива не нарушая экологию. 5. Компактность оборудования. 6. Получение активного ила в небольших объемах, что влияет на снижение стоимости его утилизации. 7. Простое изготовление и низкая стоимость оборудования.
Система технологии очистки сточных вод состоит из аэротенка и мембранного модуля, который оборудован мембранам. Ил в аэротенке проходит через мембранный модуль. Фильтрование осуществляется под действием вакуума, который создается на внутренней поверхности мембрана насосом фильтрации. Для того чтобы произошла фильтрация образуется разность давлений между внутренней стороной мембрана и пространством блока. Сточные воды фильтруются через мембрану. В результате происходит качественная очистка.
Мембранные технологии используют простые, малогабаритные и неэнергоемкие установки.
Выбирая мембранные технологии очистки воды рекомендовано учитывать:
1. Экологическую безопасность. 2. Эффективность. 3. Экономическую целесообразность.
sg-pro.ru
Мембранные процессы очистки сточных вод — КиберПедия
К методам мембранного разделения в технологии очистки сточных вод относят микрофильтрацию, ультрафильтрацию, обратный осмос, испарение через мембраны, диализ, электродиализ. Наиболее часто из них используют обратный осмос и ультрафильтрацию в установках локальной очистки сточных вод при небольших расходах.
Обратный осмос (гиперфильтрация) – это непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, задерживающие полностью или частично молекулы либо ионы растворенного вещества. Обратный осмос (гиперфильтрация) используется для выделения низкомолекулярных растворенных веществ (солей, кислот, сахаров).
При приложении давления выше осмотического (равновесного) осуществляется перенос растворителя в обратном направлении (по сравнению с обычным осмотическим переносом) – от раствора к чистому растворителю через мембрану и обеспечивается достаточная селективность очистки. Необходимое давление, превышающее осмотическое давление растворенного вещества в растворе, составляет 0,5-1 МПа при концентрации солей 2-5 г/дм3 и 5-10 МПа при концентрации 20-30 г/дм3.
Ультрафильтрация – это мембранный процесс разделения растворов, осмотическое давление которых мало. Этот метод используется при отделении сравнительно высокомолекулярных веществ, взвешенных частиц и коллоидов. Ультрафильтрация, по сравнению с обратным осмосом, более высокопроизводительный процесс, так как высокая проницаемость мембран (до 1000 дм/м2∙сут) достигается при давлении 0,2-1 МПа.
Преимуществами методов обратного осмоса и ультрафильтрации являются: простота и компактность аппаратуры; возможность разделения растворов при нормальной температуре, выделения ценных продуктов, одновременной очистки воды от органических, неорганических и бактериальных загрязнений; малая зависимость эффективности очистки от концентрации загрязнений в воде, высокая эффективность очистки. Наряду с преимуществами методы имеют и существенные недостатки: необходимость проведения процесса при повышенном давлении в системе; явление концентрационной поляризации, заключающееся в увеличении концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны вследствие преимущественного переноса через нее растворителя.
Важнейшей задачей при осуществлении процесса обратного осмоса является выбор мембран, которые должны обладать: высокой проницаемостью и селективностью, устойчивостью к действию разделяемых растворов, достаточной механической прочностью, неизменностью характеристик в процессе эксплуатации и хранения, низкой стоимостью. Наиболее пригодны мембраны ацетатцеллюлозного типа, обработанные для водопроницаемости перхлоратом магния. Это мембраны с порами 0,3-0,5 нм характеризуются большой скоростью пропускания воды, хорошо отделяют соли и другие вещества, имеют высокую степень набухания.
Производительность мембран по воде через несколько часов работы под давлением снижается на 30-35 %, что связано с их усадкой (снижением пористости). Срок службы мембран зависит от вида, концентрации растворенных в воде веществ и других факторов и колеблется от нескольких месяцев до нескольких лет. Однако, эти мембраны имеют недостатки: нестойкость в кислой и щелочной среде, малая механическая прочность, необходимость хранения и транспортировки во влажном состоянии, старение.
Разновидностью тонких полупроницаемых мембран являются полые полимерные волокна, имеющие внутренний диаметр 20-100 мкм при толщине стенки 10-15 мкм.
Влияние различных факторов на мембранные процессы
разделения
1. Давление является одним из основных факторов, определяющих производительность установок обратного осмоса. Производительность мембран увеличивается с повышением избыточного давления. Однако, начиная с некоторого давления, проницаемость мембран снижается вследствие уплотнения полимерного материала мембраны. Для ацетатцеллюлозных мембран максимальное давление составляет 10-15 МПа.
Селективность мембран в области малых давлений линейно возрастает с увеличением давления, затем скорость возрастания снижается и селективность достигает максимальной величины.
2. Температура. Увеличение температуры приводит к уменьшению вязкости и плотности раствора и одновременно к возрастанию его осмотического давления. Уменьшение вязкости и плотности раствора усиливает проницаемость мембран, а увеличение осмотического давления снижает движущую силу процесса и уменьшает проницаемость. При температуре выше 40 оС растет скорость гидролиза ацетатцеллюлозы, что приводит к уменьшению селективности мембран.
3. Концентрация раствора. С увеличением концентрации разделяемого раствора проницаемость мембран уменьшается вследствие увеличения осмотического давления растворителя и влияния концентрационной поляризации. Снижение последней достигается турбулизацией раствора.
4. Величина pH. Влияние pH на селективность мембран невелико. Летучие кислоты плохо задерживаются мембранами, поэтому предварительная нейтрализация летучих кислот повышает селективность процесса разделения.
Срок службы ацетатцеллюлозных мембран определяется гидролизом ацетатцеллюлозы, который резко ускоряется при pH<3 и pH>8.
Промышленные аппараты обратного осмоса и ультрафильтрации
В настоящее время применяются различные типы аппаратов, отличающихся способом размещения мембран (рис. 14):
а) Аппараты типа «фильтр-пресс» с плоскокамерными фильтрующими элементами. Применимы при невысокой производительности установок. Пакет фильтрующих элементов зажимается между двумя фланцами и стягивается болтами. Основной недостаток этих аппаратов – невысокая удельная площадь поверхности мембран (60-300 м2 на 1 м3 объема аппарата) и большая металлоемкость.
б) Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами. Имеют ряд преимуществ: простота конструкции, малая металлоемкость, легкость турбулизации раствора. Недостаток аппаратов: невысокая удельная площадь поверхности мембран (100-200 м2/м3), трудность замены вышедших из строя мембран.
в) Аппараты с фильтрующими элементами рулонного или спирального типа, имеющие удельную площадь поверхности мембран 300-800 м2/м3. Полупроницаемая мембрана свернута в виде спирали и образует цилиндрический модуль диаметром 100 мм и длиной до 1 м. Недостатком этих аппаратов является сложность монтажа и смены мембран.
г) Аппараты с мембранами из полых волокон малого диаметра (45-200 мкм) имеющими удельную площадь поверхности до 20000 м2/м3, волокна из ацетатцеллюлозы или нейлона собираются в пучки длиной 2-3 м и располагаются в аппарате либо линейно, либо U-образно с заделкой в одну трубную решетку. Такие аппараты компактны и высокопроизводительны. Недостаток аппаратов – трудность замены поврежденных волокон. Если разделяемый раствор протекает внутри волокон, то необходима тщательная очистка его от механических загрязнений.
Рис. 14. Аппараты для обратного осмоса: а – типа фильтр-пресс: 1 – пористые пластины; 2 – мембраны; б – трубчатый фильтрующий элемент: 1 – трубка; 2 – подложка; 3 – мембрана; в – с рулонной укладкой полупроницаемых мембран: 1 – дренажный слой; 2 – мембрана; 3 – трубка для отвода очищенной воды; 4 – сетка-сепаратор; г – с мембранами в виде полых волокон: 1 – подложка; 2 – шайба с волокном; 3 – корпус; 4 – полые волокна.
Электродиализ – это процесс сепарации ионов солей, осуществляемый в мембранном аппарате под действием постоянного электрического тока. Электродиализный метод применяется для опреснения высокоминерализованных сточных вод.
Электролизер разделен чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими концентрирующие (рассольные) и обессоливающие (дилюатные) камеры. Под действием постоянного тока катионы, двигаясь к катоду («минус»), проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь в направлении анода («плюс»), проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате этого из одного ряда камер ионы обоих знаков выводятся в смежный ряд камер.
Мембраны для электродиализатора изготавливают в виде гибких листов прямоугольной формы и в виде рулонов из термопластичного полимерного связующего и порошка ионообменных смол.
Применяются электродиализные аппараты двух типов: прокладочные и лабиринтные.
Электродиализаторы прокладочного типа (ЭДУ-50 и др.) имеют горизонтальную ось электрического поля; их пропускная способность от 2 до 20 м3/ч.
Электродиализаторы лабиринтного типа (ЭДУ-2; ЭДУ-100) имеют вертикальную ось электрического поля; их пропускная способность от 1 до 25 м3/ч.
Оптимальная область применения электродиализаторов – при концентрации солей в обрабатываемой сточной воде 3-8 г/дм3. Во всех конструкциях электродиализаторов применяются электроды, изготовленные из платинированного титана. Технологические схемы электродиализных установок состоят из следующих узлов:
- аппарат предварительной подготовки исходной воды;
- собственно электродиализная установка;
- кислотное хозяйство и система сжатого воздуха;
- фильтр, загруженный активированным углем БАУ.
Технологические схемы бывают следующих типов:
1. Прямоточные ЭДУ, в которых обрабатываемая вода последовательно или параллельно проходит через аппараты установки, и солесодержание воды снижается от исходного до заданного за один проход.
2. Циркуляционные (порционные) ЭДУ, в которых определенный объем частично обессоленной воды из бака дилюата перекачивается через мембранный электродиализный аппарат обратно в бак до тех пор, пока не будет достигнута необходимая степень обессоливания.
3. Циркуляционные ЭДУ непрерывного действия, в которых часть обрабатываемой воды (дилюата), проходит через электродиализатор и подается потребителю или в резервуар очищенной воды.
4. ЭДУ с аппаратами, имеющими последовательную гидравлическую систему движения потоков в рабочих камерах.
Каждая из технологических схем имеет определенные преимущества и недостатки, и их выбор производится на основании техно-экономических расчетов.
cyberpedia.su
Мембранные технологии для очистки сточных вод. Не так страшен черт, как его малютка
14 дек.
Актуальность вопросов очистки сточных вод небольших населенных пунктов, коттеджных поселков, санаториев, гостиничных комплексов, и других объектов, удаленных от систем центральной канализации, а также усиление контроля за состоянием водных экосистем в рамках «Водной стратегии Российской Федерации» до 2020 года, способствовали появлению на рынке локальных очистных сооружений канализации (ОСК) огромного количества всевозможных комплексов для очистки сточных вод.
Несмотря на различия технологий и вариантов комплектации оборудованием локальных очистных сооружений, принципиально выбор осуществляется между традиционной технологией очистки, применяемой на большинстве отечественных городских очистных сооружений, и технологией очистки с разделением иловой смеси на мембранах (МБР). Выбор не является однозначным, и определяется целым рядом особенностей реконструируемого или строящегося объекта очистки сточных вод.
К сожалению, недостаточное количество реализованных в России проектов ОСК с применением мембранных технологий и информационные материалы, базирующиеся на устаревших данных о высокой стоимости и трудоемкости эксплуатации таких очистных сооружений, тормозят широкое распространение мембранных технологий в России. В результате эксплуатирующие предприятия часто делают бессознательный выбор в пользу традиционной технологии очистки сточных вод, игнорируя возможности технологии МБР.
Поскольку специалисты компании «ЭКОТОН» имеют опыт внедрения как одной, так и другой технологии, и знакомы с плюсами и минусами каждой из них, надеемся, данная статья даст независимую оценку и сделает процесс выбора комплекса очистных сооружений более прозрачным.
Модульные очистные сооружения (г. Чугуев, Украина)
Особенности систем водоотведения малых населенных пунктов
Несмотря на то, что каждый объект является уникальным и для обоснования выбора технологии и оборудования необходимо комплексное обследование и расчет экономической и технологической эффективности проекта, у всех малых населенных пунктов, в частности санаториев и гостиничных комплексов, есть общие особенности, отличающие их от крупных городов.
- Значительно меньшие в сравнении с крупными городами объемы сточных вод и соответственно высокий коэффициент неравномерности притока сточных вод и концентраций загрязнений.
- Преимущественно более низкий уровень квалификации персонала, обслуживающего малые ОСК, в сравнении со специалистами, эксплуатирующими крупные городские очистные сооружения.
- Организация выпуска сточных вод, как правило, в небольшие ручьи, реки или непроточные водоемы, часто в непосредственной близости от мест купания отдыхающих.
- Ограничения по площади, отводимой под очистные сооружения и санитарно-защитную зону.
Поскольку даже небольшой населенный пункт на 250 человек в среднем производит порядка 50 кубических метров сточных вод в сутки, очистные сооружения должны обеспечивать очистку сточных вод до норм сброса в водоем соответствующей категории (сброс на рельеф, не всегда оправданный даже при объемах сточных вод более 5 – 10 м3/сутки, в данной ситуации не применим). Чаще всего приходится сталкиваться с необходимостью очистки сточных вод до норм сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения, включающих широкий перечень загрязняющих веществ с наиболее низкими разрешенными концентрациями.
Отсюда следует необходимость подбора очистных сооружений с реализацией полного цикла очистки, включающего предварительную механическую очистку, реагентную химическую, глубокую биологическую очистку, обеззараживание и решение проблемы накопления осадков. Также комплекс очистных сооружений должен быть сравнительно прост в обслуживании и занимать минимум территории.
Сравнение традиционной технологии очистки с технологией МБР
Традиционная технология, применимая на большинстве отечественных городских очистных сооружений, предусматривает механическую очистку на решетках и в песколовках, первичное отстаивание, биологическую очистку в аэротенках микроорганизмами активного ила с последующим разделением иловой смеси отстаиванием, доочистку и обеззараживание.
Альтернативная технология глубокой биологической очистки с разделением иловой смеси в мембранном модуле (МБР) позволяет исключать этап вторичного, а часто и первичного, отстаивания, и обеспечивает достаточное качество очистки от взвешенных веществ без стадии доочистки.
1. Стоимость очистных сооружений
Стоимость мембранного блока порядка 70 – 100 евро/м2 фильтрующей поверхности при средней удельной производительности 15 – 40 л/ч на 1 м2 площади мембран. Между тем, выведение из традиционной технологической схемы емкостей для отстаивания с оборудованием для оснащения отстойников и оборудования для доочистки, выравнивает стоимость приобретения очистных сооружений с традиционной схемой очистки и очистных сооружений на базе МБР.
На объектах с небольшим расходом сточных вод стоимость установки МБР может быть даже ниже, чем строительство традиционных ОСК, это связано с тем, что удельная стоимость мембранного блока почти не зависит от производительности.
Подобные расчеты проводятся для каждого объекта в отдельности, поскольку на подбор необходимого оборудования влияет целый ряд факторов.
2. Занимая очистными сооружениями площадь
Использование технологии МБР позволяет повысить дозу активного ила с 3 – 4 г/л до 8 – 12 г/л (см. ниже). Таким образом, появляется возможность культивировать большую массу активного ила в единице объёма биореактора. Поскольку нагрузка на активный ил по загрязняющим веществам для высокой степени биологической очистки должна быть в пределах 0,08 – 0,12 кг БПК на 1 кг активного ила, при эквивалентной массовой нагрузке размер аэротенка в МБР можно уменьшить в 2 – 3 раза в сравнении с аэротенками с использованием классического активного ила.
Также сокращение объема биореактора обеспечивается за счет уменьшения времени пребывания сточных вод в системе. Если в традиционной схеме требуется 14 – 20 часов на процесс биологической очистки в аэротенках, и затем еще 1 – 2 часа во вторичном отстойнике, то в установке МБР этап «аэротенк – емкость мембранного блока» занимает 6 – 14 часов.
Выведение ряда сооружений из состава ОСК, возможность сокращения объема емкостей биологической очистки и компактная расстановка оборудования в установке МБР сокращает площадь, занимаемую непосредственно очистными сооружениями, на 20 – 50%.
Дополнительно, закрытое исполнение установки МБР позволяет сократить необходимую санитарную зону на 25 – 30%. Поскольку санитарная зона, как правило, требует отведения значительных площадей (сан. зона для ОСК производительностью до 200 м3/сутки составляет 150 м, а от 200 до 5000 м3/сутки – 200 м), это дает возможность существенно увеличить полезную площадь застройки.
3. Сложность обслуживания очистных сооружений
Наибольшую сложность представляет собой обслуживание участка биологической очистки. Это наиболее чувствительный к влиянию внешних факторов процесс, нуждающийся в постоянном контроле опытного технолога.
На протекание процесса биологической очистки влияют такие изменения условий работы системы как слишком низкая или высокая нагрузка на ил, низкая концентрация кислорода, длительная нехватка биогенных веществ (фосфора, азота), высокая или низкая температура поступающих в аэротенк сточных вод, залповое поступление углеводородов и жиров, а также свойственное малым населенным пунктам непостоянство химического состава поступающих на биологическую очистку сточных вод. Эти и другие изменения работы системы являются основной причиной интенсивного развития нитчатых бактерий и других микроорганизмов, которые вызывают «вспухание» активного ила. Особенно часто это явление наблюдается в периоды сезонных перестроек биоценоза ила.
Вспухший ил вследствие весьма развитой поверхности соприкосновения частиц ила с водой обладает высокой очищающей способностью, что позволяет существенно увеличить эффект очистки, но при этом ухудшаются седиментационные свойства активного ила и он не успевает отделиться от очищенной жидкости в ходе отстаивания. Вследствие этого увеличивается вынос активного ила, взвешенных веществ и биогенных элементов из вторичного отстойника, активный ил уже не вовлекается в дальнейший процесс очистки воды, результатом чего являются технологические и экологические нарушения работы очистных сооружений.
На очистных сооружениях, построенных в соответствии с традиционной схемой очистки, предусматривающей отделение ила от очищенной воды отстаиванием, это является серьезной проблемой. Борьба технологов с «вспуханием» ила усложняется тем, что, как правило, не удается зафиксировать какую-либо одну конкретную причину данного явления.
В установке МБР «вспухание» ила не влияет на качество разделения иловой смеси, осуществляемое фильтрованием на мембранах. Это избавляет технологов от необходимости культивировать видовой состав и контролировать дозу и возраст активного ила. Технология позволяет накопить медленно растущие виды микроорганизмов, повысить дозу активного ила с 3 – 4 г/л до 8 – 12 г/л, и увеличить его возраст с 7 – 12 до 15 – 20 суток.
С другой стороны на очистных сооружениях с технологией МБР возникает необходимость обслуживания самого мембранного блока. Очистка мембран от отложений осуществляется путем продувки воздухом в автоматическом режиме и гидравлических промывок обратным током фильтрата, который предусматривают некоторые типы мембранных модулей. Один или два раза в год возникает необходимость реагентной промывки мембран гипохлоритом натрия 0,2 – 1%, лимонной кислотой 0,2 – 0,3% или другими реагентами. Необходимость и частота промывок зависит от выбранного типа мембран, а также от состава сточных вод и соблюдения правил эксплуатации установки.
Решение основной проблемы обслуживания наиболее сложного участка – этапа биологической очистки, и автоматизация всех основных процессов позволяют существенно упростить работу обслуживающего очистные сооружения персонала. В принципе, такие очистные сооружения может обслуживать один человек с неполным рабочим днем.
Современные системы автоматизации и диспетчеризации берут на себя управление технологическими процессами как в штатном, так и во внештатном режимах работы, например, в период ливней и паводков на объектах с общесплавной канализацией. Система автоматизации учитывает целый ряд показателей, и запускает соответствующий сценарий реагирования в зависимости от характера отклонений без привлечения оператора.
Системы позволяют организовать выведение информации о состоянии оборудования и всех контролируемых параметров на дисплей компьютера диспетчера. При необходимости внешнего оперативного вмешательства в процесс очистки система сигнализирует об этом, и передает соответствующую информацию на компьютер или мобильное устройство.
4. Качество очистки сточных вод
Удаленным от систем центральной канализации населенным объектам, осуществляющим сброс сточных вод в водоем, как правило, приходится сталкиваться с жесткими нормативами по концентрациям загрязняющих веществ, в первую очередь по органическим веществам, соединениям азота и фосфора, а также взвешенным веществам. Особое внимание также уделяется высокой степени обеззараживания.
Возможность снизить нагрузку на активный ил и повысить его возраст, крайне благоприятна для планового протекания процесса нитрификации. Эта стадия процесса удаления азота осуществляется нитрифицирующими бактериями, развивающимися с увеличением возраста ила, и начинается только после практически полного окисления органических соединений.
Использование в установке МБР ультрафильтрационных мембран с размером пор 0,01 – 0,05 микрон для разделения иловой смеси обеспечивает полное удаление взвешенных веществ (достижение концентраций порядка 1 мг/л). Кроме того мембраны не пропускают некоторые макромолекулярные метаболиты, предотвращая тем самым их разрушение, благодаря этому достигается меньшая величина ХПК в очищенной воде, чем при использовании классического активного ила.
Также на мембранах задерживаются такие патогенные микроорганизмы как яйца гельминтов, бактерии и даже вирусы (эффективность удаления бактерий и вирусов достигает 99,99%). Двухступенчатое обеззараживание ультрафильтрацией на мембранах и затем ультрафиолетом, позволяет использовать очищенную сточную воду в непитьевых целях, в частности для полива. Заметим также, что снижение количества патогенных микроорганизмов и отсутствие взвешенных веществ в сточной воде позволяет продлить срок службы дорогостоящего УФ-оборудования.
5. Свойства образующихся осадков
Повышение возраста активного ила с 7 – 12 суток до 15 – 20 помимо возможности накопить медленно растущие виды микроорганизмов, необходимых для окисления биорезистентных соединений и протекания процессов нитрификации, позволяет в 1,5 – 2 раза сократить объем отводимого осадка. Поскольку возраст активного ила является отношением его массы во всём сооружении (биореакторе) к массе отводимого ила, более высокий возраст ила означает меньшую массу отводимого ила.
Кроме того после МБР осадок имеет меньшую влажность (99% против 99,5% после вторичного отстойника), а это значит, что при отведении одной и той же массы ила (по сухому веществу), объём отводимого ила из МБР будет на 50% меньше.
6. Эксплуатационные расходы
Энергозатраты на обеспечение процесса биологической очистки в МБР несколько выше, чем на очистных сооружениях с традиционной технологией очистки. Это связано с необходимостью обеспечить достаточную аэрацию высококонцентрированной иловой смеси в биореакторе и аэрацию самих мембран для удаления отложений с их поверхности. Системы с МБР потребляют в среднем на 20 – 60% больше электроэнергии на 1 м3 сточной воды, чем требуют традиционные методы очистки.
Дополнительные затраты также вызваны необходимостью очистки мембран от отложений.
7. Резюме
Технология биологической очистки сточных вод с разделением иловой смеси в мембранном блоке позволяет интенсифицировать процесс очистки взвешенной концентрированной микрофлорой (80% эффекта очистки) и обеспечить дополнительный эффект за счет ультрафильтрации на мембранах (20% эффекта очистки).
Интенсификация процесса биологической очистки и выведение из технологической схемы первичного и вторичного отстаивания, а также этапа доочистки сокращает площадь необходимую под ОСК в 1,5 – 2 раза. Полностью закрытая конструкция блочных сооружений позволяет также сократить площадь санитарной зоны, и при необходимости обеспечивает возможность эксплуатации установки в сложных климатических условиях, для чего подбирается соответствующий материал обшивки и системы отопления и вентиляции.
Отделение очищенной воды фильтрованием на мембранах вместо отстаивания решает проблему «вспухания» активного ила, и вызванного этим выноса взвешенных веществ, содержащих в своем составе органику, азот и фосфор, а также проблему вымывания активного ила. Таким образом, уменьшается зависимость системы от влияния внешних факторов.
Размер пор ультрафильтрационных мембран обеспечивает 100% удаление взвешенных веществ и других загрязнений размером более 0,01 – 0,05 микрон, а также обеспечивает практически полное обеззараживание сточных вод за счёт удаления бактерий и вирусов.
Автоматизация основных технологических процессов существенно упрощает эксплуатацию очистных сооружений (в Европе очистные сооружения до 5’000 м3 в сутки обслуживает один оператор). Возможна также диспетчеризация и удаленное управление системой.
Основным ограничением использования мембранных технологий являются несколько более высокие эксплуатационные затраты.
Несмотря на огромное количество аргументов в пользу технологии МБР, мембранные методы очистки сточных вод не вытесняют полностью традиционные технологии, они занимают свою нишу в области сооружений малой и средней производительности, в особенности, при наличии дополнительных требований к качеству очистки или к компактности.
Технология МБР в основном применима для средних и малых населенных пунктов, и при грамотной реализации она демонстрирует эффективную очистку сточных вод до установленных нормативов, и обеспечивает надежную, стабильную работу очистных сооружений.
Также внедрение технологии МБР может быть актуально и для больших ОСК. В частности для населенных пунктов, рост численности жителей которых превысил прогнозный, характерна проблема отсутствия свободных площадей для расширения ОСК. В этом случае переход на технологию МБР, с возможностью увеличить производительность за счет интенсификации процесса биологической очистки, а не физического увеличения размеров емкостей, является идеальным вариантом.
Разработка концепции и технико-экономическое обоснование проекта (ТЭО)
Решение о выборе технологии и комплектация очистных сооружений оборудованием очень важная и ответственная часть проекта. От правильности принятого на этом этапе решения будет зависеть эффективность и надежность работы очистных сооружений, трудоемкость и расходы на их обслуживание, а значит, ваша удовлетворенность результатами проекта.
Специалисты компании «ЭКОТОН» имеют достаточный опыт внедрения обеих технологий на строящихся и реконструируемых объектах очистки сточных вод. Для выработки концепции проекта на объект выезжает мобильная группа, что бы собрать наиболее полные исходные данные и взять нужные пробы. Это необходимый этап, поскольку кроме таких очевидных факторов как объемы, химический состав и физические свойства поступающих на очистку сточных вод, на технологическую схему влияют местные климатические условия, расположение построек и коммуникаций, имеющиеся емкости и сооружения.
На основании разработанного на этом этапе документа можно принять обоснованное решение о целесообразности проекта, запланировать необходимые ресурсы и получить разрешающие документы.
Если принимается решение о внедрении технологии МБР, возникает важная задача выбора типа мембран и определения технологических параметров работы установки. Эта работа проводится опытными инженерами-технологами на основании отработанных методик и программ.
Также наша компания предлагает испытать эффективность предложенной технологии на реальных сточных водах проектируемого объекта. Для этого мы используем пилотную установку МБР, которая позволяет не только проверить расчетные технологические параметры и отрегулировать объемы и направления рециклов, но и попробовать различные режимы работы с использованием основных типов мембран. Такие испытания длятся в среднем 1,5 – 2 месяца, и по их завершению мы получаем гарантированно работающую технологию с экспериментально подтвержденными технологическими параметрами, что позволяет оперативно выйти на оптимальный режим работы системы при запуске.
Подбор оборудования для мембранного блока
Технология МБР активно развивается последние 10 – 15 лет. За это время на рынке появилось большое количество производителей мембранных модулей, которые предлагают различные аппараты мембранной фильтрации и типы мембран. Важно правильно подобрать оптимальный для данного объекта вариант, поскольку от характеристик мембран (материал, плотность упаковки, проницаемость, регенерация) зависит величина рабочего давления, длительность фильтрацикла и другие факторы, определяющие затраты на очистку.
1. Напорные и погружные мембранные модули.
При напорной фильтрации иловая смесь из аэротенка насосом подается в выносные мембранные модули, расположенные в отдельном сухом помещении. Погружные модули располагаются непосредственно в аэротенке либо в мембранной емкости, в которую подается иловая смесь. Для того что бы обеспечить необходимую скорость транзитного потока вдоль поверхности мембраны в обоих случаях необходимо обеспечить 3-х – 15-ти кратный рецикл иловой смеси. Фильтрация осуществляется за счет трансмембранного давления, создаваемого самовсасывающим насосом, либо, в отдельных случаях, за счет гидростатического напора.
Напорная фильтрация позволяет получить более высокую удельную производительность мембран (30 – 70 л/м2 ч против 10 – 30 л/м2 ч в погружных блоках), но является более сложной в обслуживании и более энергозатратной за счет использования дополнительных насосов рецикла и, в отдельных случаях, воздуходувного оборудования.
В современных установках МБР используются преимущественно погружные мембранные блоки. Однако в ряде случаев, особенно при реконструкции существующих ОСК, применение выносных мембранных модулей становится единственно возможным решением. Такая ситуация может возникнуть, например, при отсутствии свободных емкостей и возможности их строительства для размещения погружных модулей, или при невозможности монтажа и сервисного обслуживания погружных модулей с использованием подъемно-транспортного оборудования
2. Половолоконные, плоские и трубчатые мембраны.
В свою очередь мембраны представлены тремя основными типами: половолоконные, плоские и трубчатые. Наиболее популярными из них являются половолоконные мембраны из-за их относительно невысокой стоимости.
Трубчатые мембраны характеризуются небольшой площадью фильтрации, и рекомендуются для применения на малых очистных сооружениях. Эти мембраны используются в выносных мембранных модулях, и могут применяться в системах с высокой дозой ила для очистки высококонцентрированных сточных вод с реализацией аэробных и анаэробных процессов. Их основным недостатком являются высокие эксплуатационные расходы на электроэнергию и реагенты, а также высокие затраты при замене элементов.
Половолоконные мембраны характеризуются большими площадями фильтрации на единицу объема. Для решения проблемы заиливания применяются обратные промывки, что позволяет сократить число реагентных обработок мембран. Оптимальными для их использования являются сточные воды с относительно низкой дозой активного ила. Также для них характерна чувствительность к резким перепадам трансмембранного давления.
Плоские мембраны характеризуются несколько меньшей удельной поверхностью, чем половолоконные мембраны, благодаря чему они менее склонны к заиливанию. Это позволяет эксплуатировать их при высокой дозе активного ила. Главное их достоинство – простота процесса очистки мембраны и замены отдельных элементов мембранного блока. В ряде случаев плоские мембраны вообще не нуждаются в активной обратной промывке. Недостатком является необходимость использования емкостей больших объемов под установку мембранных модулей.
Сравнение основных типов фильтрационных элементов
| Параметр | Трубчатые | Половолоконные | Плоские |
| Доза активного ила | 6 – 40 г/л | 4 – 10 г/л | 4 – 12 г/л |
| Производительность (поток) | 30 – 70 л м2/час | 10 – 25 л м2/час | 10 – 30 л м2/час |
| Обратная промывка | 2 – 4 Q | 2 Q | Не применяется |
| Трансмембранное давление | 0,1 – 0,5 кПа | 0,1 – 0,5 кПа | 0,1 – 0,5 кПа |
| Энергопоребление на регенерацию мембранной поверхности | 0,3 – 1 кВт ч/м3 | 0,2 – 0,4 кВт ч/м3 | 0,2 – 0,4 кВт ч/м3 |
Проектирование очистных сооружений
Независимо от того будете вы строить комплекс очистных сооружений или вы приобретаете очистные сооружения полной заводской готовности, потребуется разработка проектно-сметной документации.
Основным плюсом выбора отечественной компании-поставщика является знание проектировщиками нормативной базы Российской Федерации и большой опыт прохождения Государственной экспертизы. Очистные сооружения, запроектированные даже самой авторитетной иностранной компанией с безупречными референциями в Европе, скорее всего не будут согласованы природоохранными органами. Ситуация на сегодняшний день такова, что несмотря на все попытки гармонизации отечественных норм и правил в проектировании со стандартами Европейского Союза (Еврокодами), адаптация разработанного в Европе проекта чаще всего подразумевает практически полную его переработку.
С другой стороны, это же обстоятельство является и минусом, поскольку ограниченные жесткими рамками ГОСТов и СНиПов проектировщики часто не способны проявлять гибкость в принятии технических решений. В результате при проектировании любого объекта применяются стандартные подходы, и не учитывается весь его потенциал.
При проектировании очистных сооружений на базе МБР удачным компромиссом является объединение усилий отечественных проектных организаций с европейскими компаниями-поставщиками мембран. В этом случае наши технологии подбирают наиболее подходящий для проектируемого объекта тип мембран, и привлекают их поставщика для совместной работы над проектом. Из опыта нашей компании такое сотрудничество весьма продуктивно, поскольку компании поставщики мембран имеют большой опыт принятия нестандартных проектных решений при внедрении в технологическую схему мембран с учетом их характеристик и предъявляемых к их эксплуатации требований.
Проектирование объектов очистных сооружений с применением технологии МБР имеет ряд особенностей, и во многом на технологическую схему влияет выбранный тип мембран.
В зависимости от типа мембран и состава сточных вод подбирается оборудование предочистки (механической очистки) для защиты мембран от волос, ворса, крупной взвеси и других включений. Половолоконные и трубчатые мембраны более чувствительны к присутствию в сточной воде грубых примесей, чем плоские, поэтому для их защиты устанавливаются решетки с очень мелким ситом. При этом извлечение из сточных вод механических включений не должно излишне снизить содержание в них органических соединений, что может негативно отразится на плановом протекании биологической очистки.
Как правило, при внедрении технологии МБР на этапе механической очистки отказываются от первичного отстаивания. При реконструкции существующих очистных сооружений с заменой технологии это позволяет высвободить дополнительные емкости. С одной стороны это обеспечивает увеличение общего объема емкостей биологической очистки, которые можно использовать для реализации технологии нитри-денитрификации и дефосфотации. С другой стороны некорректное использование существующих резервуаров при выведении части емкостей из технологической схемы может привести к их ускоренному разрушению, и как следствие нарушению конструктивной целостности всего сооружения.
Существует также много других нюансов, которые необходимо учесть на этапе проектирования. Это позволит не только оперативно получить разрешение на строительство и запустить ОСК, но и избавит от многих сложностей в дальнейшей эксплуатации.
Запуск очистных сооружений
Основную сложность на этапе запуска очистных сооружений представляет собой наращивание активного ила и отладка технологических параметров на участке биологической очистки. Решение проблемы выноса активного ила из отстойников при реализации технологии МБР значительно ускоряет процесс наращивания активного ила на этапе запуска очистных сооружений. Это позволяет сократить период выхода системы биологической очистки на плановый режим с 3 – 4 до 1 – 2 недель.
Весь период запуска очистных сооружений с использованием технологии МБР для небольшого населенного пункта, включающий пуско-наладку всего механизированного оборудования и гидравлические испытания емкостей и трубопроводов, занимает порядка 1 – 1,5 месяца, в то время как запуск очистных сооружений с традиционной технологией очистки потребует 1,5 – 2 месяца.
Заказ модульных ОС на базе МБР полной заводской готовности предусматривает установку основного оборудования на заводе-изготовителе, в результате монтаж на объекте длится не более 2 – 3 недель.
В период запуска комплекса проводится инструктаж персонала, который будет обслуживать очистные сооружения. Инструктаж длится 2 – 3 недели, и в дальнейшем, в ходе эксплуатации МБР, наши технологи также всегда готовы предоставить оперативную консультационную или другую необходимую помощь.
Вывод
Строительство либо реконструкция очистных сооружений очень ответственный процесс, от результатов которого будет зависеть эффективность очистки сточных вод, надежность работы комплекса, трудоемкость и расходы на его обслуживание.
За 17 лет работы компания «ЭКОТОН» успешно внедрила более 1 000 проектов на коммунальных и промышленных предприятиях, осуществляющих очистку сточных вод.
В распоряжении наших специалистов наработанная методология, программные продукты, позволяющие моделировать различные сценарии работы системы, экспериментальные установки и другие ресурсы, снижающие риск принятия неправильного технологического решения. Отработанная в компании система взаимодействия с заказчиком в ходе разработки и реализации проекта, позволяет гарантированно достичь целей проекта, и избежать многих ошибок, неизбежно ведущих к срыву сроков и превышению бюджета.
Многопрофильная структура компании позволяет выполнять весь комплекс работ, от выбора технологического решения и проектирования до запуска объекта в эксплуатацию. Таким образом, мы готовы брать на себя ответственность не только за качество выполнения отдельного этапа работ, но и за эффективность самих очистных сооружений.
ru.ekoton.com
Мембранные процессы очистки сточных вод - Теоретические основы защиты окружающей среды
11.6. Мембранные процессы очистки сточных вод
Мембранный метод очистки сточных вод основан на свойствах пористых тел пропускать предпочтительнее одни вещества, чем другие. Способы мембранного разделения, используемые в технологии очистки воды, условно делятся на диализ, электродиализ, микрофильтрацию, ультрафильтрацию, обратный осмос. В соответствии с видом переноса вещества мембранные методы можно разделить на диффузионные, электрические и гидродинамические. Иногда один вид переноса вещества накладывается на другой для ускорения или улучшения разделения. К диффузионным методам относят газовую диффузию и диализ. При наложении электрического поля протекает электродиализ. Гидродинамическими методами являются фильтрация, ультрафильтрация и обратный осмос.
В технологии очистки сточных вод от растворенных и тонкодис-пергированных примесей чаще всего используют процессы обратного осмоса, ультрафильтрации и электродиализа. Обратный осмос применяют для обессоливания воды в системах водоподготовки, в системах локальной обработки сточных вод при небольших их расходах для концентрирования и выделения относительно ценных компонентов и для очистки природных и сточных вод.
В основе этих способов лежит явление осмоса - самопроизвольного перехода растворителя (воды) в раствор через полупроницаемую мембрану (рис. 11.6).
Наложение давления на систему, где мембрана разделяет два раствора, создает поле сил, порождающих потоки через мембрану (фильтрацию). Явление задержки растворенных молекул и ионов электролита при фильтрации через мембрану называется гиперфильтрацией или обратным осмосом (поскольку давление направлено навстречу возникающему осмотическому потоку).
Рис. 11.6. Схемы осмоса (Я -осмотическое давление; Р- рабочее давление): а - прямой осмос; б - осмотическое равновесие; в - обратный осмос; 1 - чистая вода; 2- мембрана; 3 - раствор
Обратный осмос - процесс фильтрования (концентрирования) растворов под давлением через микропористые мембраны с очень тонкими порами (радиус r ~ 10-7 см). Давление H в растворе, заставляющее растворитель переходить через мембрану, называют осмотическим давлением. Величина осмотического давления H (Па) для растворов определяется по уравнению Вант-Гоффа:
(11.35)
где R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура раствора, К; с - молярная концентрация растворенного вещества.
Чем выше концентрация подлежащего очистке раствора (сточной воды), тем выше перепад осмотических давлений и тем больше гидродинамическое давление, необходимое для реализации очистки воды.
Кроме сопротивления мембраны рм надо преодолеть осмотическое давление π, направленное в другую сторону. Таким образом, перепад давления при обратном осмосе равен
(11.36)
Создав над раствором давление pм равное осмотическому, осмос прекращается и наступает состояние равновесия. Если же над раствором создать избыточное давление π, превышающее осмотическое давление H на величину Δр, переход растворителя будет осуществляться в обратном направлении.
Механизм обратного осмоса состоит в том, что мембраны собирают воду, которая в поверхностном слое не обладает растворяющей способностью, и через поры мембраны будет проходить только чистая вода, несмотря на то, что размер многих ионов загрязнителей меньше, чем размер молекул воды. Это объясняется явлением адсорбции молекул воды у поверхности мембраны. Механизм гиперфильтрации при обратном осмосе через пористую мембрану объясняется тем, что поры такой мембраны достаточно велики, чтобы пропускать молекулы растворителя, но слишком малы, чтобы пропускать молекулы растворенных веществ. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеров молекул растворителя, при этом мембраной задерживаются как высокомолекулярные вещества, так и большая часть низкомолекулярных веществ, а проходит через поры мембраны только почти чистый растворитель.
Обратный осмос принципиально отличается от обычного фильтрования. Если при обычном фильтровании образуется поток фильтрата в виде очищенного раствора (воды) и осадок откладывается на фильтровальной перегородке, то при обратном осмосе образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом. Механизм проницаемости при обратном осмосе значительно сложнее. При фильтрации водных растворов в порах лиофильной мембраны имеется слой связанной воды, которая уменьшает размеры пор и препятствует прохождению сильно гидратированных ионов. В то же время лиофильность мембраны способствует прохождению молекул воды.
Ультрафильтрация предназначена для концентрирования лиозолей при очистке сточных вод, растворов полимеров и их очистки от низкомолекулярных веществ. В процессе ультрафильтрации высокомолекулярные вещества задерживаются мембраной, так как размер их молекул больше, чем размер пор, или вследствие большого трения их молекул о стенки пор мембраны, а низкомолекулярные вещества и растворитель свободно проходят через ее поры.
От обычного фильтрования ультрафильтрация отличается отделением частиц меньших размеров и размером пор мембраны, которые при ультрафильтрации не должны превышать размеров частиц золя. Кроме того, в результате этого процесса получают более концентрированный лиозоль (суспензию), а не осадок, который образуется при обычном фильтровании. Перепады давлений при ультрафильтрации достигают 103 кПа и выше. Механизм ультрафильтрации близок к обычному фильтрованию.
На рис. 11.7 приведена схема применения процессов ультрафильтрации и обратного осмоса для разделения органических и неорганических веществ. Границы применения этих процессов поразмерам отделяемых веществ: обратный осмос - dч = 0,0001...0,001 мкм; ультрафильтрация - dч = 0,001...0,02 мкм. Давление, необходимое для проведения процесса обратного осмоса, 6... 10 МПа, для процесса ультрафильтрации - 0,1...0,5 М Па.
Рис. 11.7. Схема разделения органических и неорганических веществ
Эффективность процессов обратного осмоса и ультрафильтрации зависит от свойств мембран. В каждом методе применяют соответствующие мембраны. Различия в прохождении веществ через мембраны могут быть связаны как с равновесными, так и с кинетическими свойствами. По этим признакам мембраны подразделяют на фильтрационные (полупроницаемые) и диффузионные. Фильтрационные мембраны способны разделять вещества в равновесных условиях, размер их пор соизмерим с размерами проникающих частиц или молекул. Диффузионные мембраны обычно применяют для разделения газов методом газовой диффузии. Фильтрационные мембраны подразделяют на макро-, переходно- и микропористые (подобно адсорбентам). Микропористые мембраны могут быть нейтральными или ионитовыми.
Мембраны готовят из полимерных пленок, пористого стекла, керамики, металлической фольги, ионообменных материалов. Наибольшее применение получили мембраны на основе различных полимеров: ацетата целлюлозы, поливинилхлорида, полистирола, полиамидов и др.
Мембраны должны обладать высокой проницаемостью (удельной производительностью), хорошей селективностью (разделяющей способностью), стойкостью к действию среды, постоянством характеристик, достаточной механической прочностью.
Основными характеристиками процессов ультрафильтрации и обратного осмоса являются проницаемость и селективность мембран. Проницаемость (или удельная производительность) выражается количеством V фильтрата, отнесенным к единице времени t и единице поверхности S мембраны:
(11.37)
где k1 - коэффициент, зависящий от проницаемости мембраны; Δр - разность давлений раствора (воды) до и после мембраны; Δр0 - разность осмотических давлений.
Таким образом, скорость обратного осмоса прямо пропорциональна эффективному давлению (разности между приложенным давлением и осмотическим). Эффективное давление значительно превосходит осмотическое. Величина осмотического давления составляет: для соли Na2SO4 - 43 кПа, а для NaHCO3 - 89 кПа. Селективность определяют (в %) по следующей формуле:
(11.38)
где с1 и с2 - концентрация растворенного вещества или дисперсной фазы соответственно в исходном растворе (сточной воде) и фильтрате (очищенной воде).
При 100%-й селективности мембрана пропускает только растворитель (очищенную воду).
Пористость β мембраны можно выразить соотношением
(11.39)
где dcр - средний диаметр пор, м; n - число пор на 1 м2 площади мембраны.
В процессе очистки некоторое количество растворимого вещества проходит через мембрану вместе с водой. Этот проскок S практически не зависит от давления:
(11.40)
где k2 - константа мембраны.
Природа растворенного вещества оказывает влияние на селективность. При одинаковой молекулярной массе неорганические вещества задерживаются на мембране лучше, чем органические. С повышением давления удельная производительность мембраны увеличивается. Однако при высоких давлениях происходит уплотнение материала мембран, что вызывает снижение проницаемости, поэтому для каждого вида мембран устанавливают максимальное рабочее давление. Сростом температуры увеличивается проницаемость мембран, но при этом повышается осмотическое давление, которое уменьшает проницаемость; начинаются усадка и стягивание пор мембраны, что также снижает проницаемость; возрастает скорость гидролиза, сокращая срок службы мембран. Например, ацетатцеллюлозные мембраны при 50
Увеличение концентрации раствора приводит к росту осмотического давления растворителя, повышению вязкости раствора и росту концентрации поляризации, т.е. к снижению проницаемости и селективности. В тоже время проницаемость и селективность увеличиваются с повышением давления до определенного предела.
Так как через мембрану преимущественно проходит растворитель, то у ее поверхности значительно увеличивается концентрация растворенных или диспергированных веществ. Это явление называется концентрационной поляризацией. Оно может привести к снижению скорости процесса переноса, к осаждению растворенного вещества и коагуляции дисперсной фазы.
Для уменьшения влияния концентрации поляризации организуют рециркуляцию раствора и турбулизацию прилегающего к мембране слоя жидкости.
geum.ru
ПРИМЕНЕНИЕ МЕМБРАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Технологии очистки сточных вод
Технологии очистки сточных вод www.aquatechcenter.kz L/O/G/O Перспективы в технологиях очистки сточных вод Использование безреагентных и малосточных методов обработки воды Обезвреживание и обезвоживание
Мембранные технологии
Мембранные технологии www.aquatechcenter.kz L/O/G/O Что такое мембрана? Это физическая перегородка, которая под действием движущей силы обеспечивает отделение компонентов, содержащихся в воде Песчаная
ООО «ГИДРОТЕХ» Е.Н. Стариков, П.С. Судиловский Применение мембранных технологий для очистки сточных вод Web: www.hydrotech.ru Тел.: (495) 781-80-20 Факс: (495) 781-80-23 E-Mail: [email protected] 1 /
Инженерные системы и экология
Инженерные системы и экология УДК 628.316.12 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНОГО МИНЕРАЛА В КАЧЕСТВЕ СОРБЕНТА ФЕНОЛА ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД А. В. Юрко, А. Ю. Комаров, В. А. Романов Волгоградский государственный
ИЗВЛЕЧЕНИЕ ПАВ ИЗ ВОДНОГО РАСТВОРА
УДК 504.4.054 ИЗВЛЕЧЕНИЕ ПАВ ИЗ ВОДНОГО РАСТВОРА Жилякова В.В., студент Россия,105005, г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, кафедра «Экология и промышленная безопасность» Научный руководитель: Козодаев А.С.,
Гладкова Е.В., к.т.н., доцент, Демьянова Ю.В., магистр, Николаева А.М., магистр, Кутузов Д.К., магистр
УДК 628.2 Гладкова Е.В., к.т.н., доцент, Демьянова Ю.В., магистр, Николаева А.М., магистр, Кутузов Д.К., магистр ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕМБРАННОГО БИОРЕАКТОРА В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД В данной статье отражены современные
Водоочистка. Харькин С.В. директор
Водоочистка Технологический аудит как «шаг 1» реализации концепции рентабельных очистных сооружений Харькин С.В. директор Компания «Архитектура Водных Технологий», г. Москва Современные технологии очистки
Биотехнологии на страже экосистемы
Автор: Н. Ю. Большаков Дата: 28.02.2013 «СтройПРОФИ» 11 Биотехнологии на страже экосистемы Снижение концентрации азота и фосфора в сточных водах достигается за счет нитриденитрификации и биологической
Мембранное материаловедение
Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН 1. Введение в мембранные процессы разделения. Классификация мембран и мембранных процессов. МЕМБРАНА: ОПРЕДЕЛЕНИЕ
СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД
СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД МОСКВА 041 СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД Область применения оборудования Система очистки предназначена для улавливания из поверхностных сточных вод взвешенных
+7 (495)
Архитектура Водных Технологий профессиональные решения www.watertec.ru +7 (495) 989 51 54 [email protected] Выпуск # 1 Расчеты, используемые при ежедневной эксплуатации канализационных очистных сооружений
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ Выполнила: ученица 11 г класса МБОУ лицей 1 Ахматханова Фарида Фарисовна Руководитель: учитель химии Маркова Наталья Владимировна Цель: изучение различных видов
Схема очистки стоков на
С.В. БОЧАРОВ, директор департамента нефтегазопереработки В.А. СТЕПАНОВА, ведущий специалист отдела внедрения департамента нефтегазопереработки Д.А. БОЛОТСКИЙ, технолог технологического отдела БЕ Сервис
КОММЕРЧЕСКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ
КОММЕРЧЕСКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ «Система биологической очистки бытовых сточных вод» Подготовлено ООО «БТ-Сервис Украина» тел.: +380 (44) 225-63-32 г. Киев, ул. Ивана Шевцова 5А, офис 307 [email protected] www.bt-service.ua
УДК Л.А. МОРОЗОВА, канд. техн. наук, Г.А. МАВРЕНКО, Б.А. КОЧЕШКОВ, инженеры (Украина, Луганск, ГП «Укрнииуглеобогащение»)
УДК 662.741 Л.А. МОРОЗОВА, канд. техн. наук, Г.А. МАВРЕНКО, Б.А. КОЧЕШКОВ, инженеры (Украина, Луганск, ГП «Укрнииуглеобогащение») ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД КОКСОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ МЕТОДОМ ФЛОТАЦИИ Очистка
Будущее за ротационной фильтрацией
Будущее за ротационной фильтрацией Проектно-производственный холдинг «Энергетические машины» предлагает решение проблемы непрерывной микро- и ультрафильтрации с помощью так называемых «технологий поперечного
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД.
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД. В сточных водах предприятий содержится значительное количество загрязняющих веществ, в состав которых входят ионы тяжелых металлов, а также различные органические вещества
8 (800)
МЕМБРАННЫЙ БИОРЕАКТОР «СВК МБР» 7 000 М 3 г. Алма-Аты республика Казахстан ИСТОРИЯ В 2014 СОЮЗ Водоканал получил запрос из органов регионального управления г. Алма-Аты Республики Казахстан. В запросе была
docplayer.ru
ПРИМЕНЕНИЕ МЕМБРАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ОЧИСТКИ И ДООЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Самойлов Владимир Игоревич
магистрант 2 курса, кафедра водоснабжения и водоотведения НГАСУ (Сибстрин), г. Новосибирск
E-mail:
Матюшенко Евгений Николаевич
магистрант 1 курса, кафедра водоснабжения и водоотведения НГАСУ (Сибстрин), г. Новосибирск
E-mail: [email protected]
Муратова Александра Викторовна
студент 5 курса, кафедра водоснабжения и водоотведения
НГАСУ (Сибстрин), г. Новосибирск
E-mail: [email protected]
Разгоняева Кристина Александровна
студентка 4 курса, кафедра водоснабжения и водоотведения
НГАСУ (Сибстрин), г. Новосибирск
E-mail: [email protected]
Амбросова Галина Тарасовна
научный руководитель, канд. техн. наук, профессор НГАСУ (Сибстрин), г. Новосибирск
В настоящее время для очистки или доочистки сточной жидкости до требуемых показателей наиболее перспективным направлением является применение мембранной технологии с использованием ультрафильтрационных мембран.
В Российской Федерации, несмотря на явные преимущества данной технологии, применение её сдерживается высокой стоимостью мембран и недостаточной изученностью процессов. Однако за границей мембранная технология используется для очистных сооружений канализации (ОСК) производительностью, достигающей 600 тыс. м3/сут.
Метод мембранного биореактора (МБР) позволяет совместить процессы биологической очистки стоков с мембранной фильтрацией на полимерных или керамических мембранах. В очистке сточных вод наибольшее применение получили микро- и ультрафильтрационные мембранные модули напорного типа, размещаемые за пределами резервуара.
Как отмечалось выше, мембранная технология может применяться как на стадии биологической очистки стоков, так и их доочиски. Включение мембранных биореакторов в состав ОСК на стадии проектирования сокращает требуемые строительные площади за счёт сокращения размеров аэротенков и за счёт высокой окислительной мощности, что является значительным достоинством данной технологии в сравнении с другими. Технология МБР является альтернативным вариантам известным методам борьбы со «вспуханием» активного ила и выноса его из вторичных отстойников. Применение мембранной технологии на стадии доочистки сточной жидкости позволяет оптимизировать работу этого узла и как результат повысить качество очистки стоков. В обоих случаях возможна полная автоматизация технологического процесса.
К сожалению, существенным недостатком данного метода является относительно высокая стоимость мембран, хотя в последнее время их стоимость на рынке стала значительно снижаться. К недостаткам относятся так же быстрое засорение пор поверхности мембраны, что приводит к частой её регенерации и увеличению эксплуатационных затрат на приобретение реагентов.
Исследования работы мембранного модуля напорного типа проводились на опытной установке производительностью 110—145 л/ч, изображённой на рисунке 1. Исследования проводились на городских очистных сооружениях канализации города Новосибирска, использовалась натуральная сточная жидкость. Исследования проводились в два этапа. На первом этапе была изучена работа установки в режиме мембранного биореактора.
Принцип действия экспериментальной установки заключался в следующем. Осветлённая сточная жидкость из приёмного кармана первичных отстойников насосом (1) перекачивалась в ёмкость (2), загруженную активным илом аэротенков ОСК первой очереди. Для поддержания иловой смеси во взвешенном состоянии, а также дыхания аэробных микроорганизмов в ёмкость нагнетался воздух компрессором (4). Затем иловая смесь из биореактора подавалась насосом (3) на мембранный блок (5), где происходило её разделение на пермеат и концентрат. Пермеат направлялся в ёмкость для сбора пермеата (6), а концентрат возвращался обратно в биологическую систему. Процесс фильтрации происходил циклически в автоматическом режиме: в течении 5 минут осуществлялась фильтрация, затем в течении 15 секунд проводилась промывка обратным током пермеата. Для удаления биоплёнки, образующейся на поверхности мембраны и образовавшихся в ходе биологической очистки кристаллов ортофосфата магния и кальция периодически осуществлялась химическая промывка щелочным и кислым растворами. Вначале мембранный модуль замачивался 4% раствором гипохлорита натрия (NaOCl) на 45 минут. Но данный раствор действует не только как сильный окислитель, приводящий к гибели микроорганизмы, скопившиеся на поверхности мембраны, но и способствует образованию труднорастворимых солей (при наличии в сточной воде ион-фосфатов аммония, магния, кальция). Поэтому для удаления солей ортофосфорной кислоты в модуль подавался 25 % раствор лимонной кислоты. Замачивание в кислом растворе производилось также 45 минут.
Рисунок 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 — погружной насос для подачи исходной сточной жидкости; 2 — биореактор; 3 — насос для подачи иловой смеси на мембраны; 4 — компрессор; 5 — мембранный блок; 6 — ёмкость для сбора пермеата; 7 — насос для промывки мембран; 8 — бак с раствором гипохлорита натрия; 9 — бак с раствором лимонной кислоты; СФ — сетчатый фильтр; ОК — обратный клапан; ЭМ — элекромагнитный клапан; РК — шаровый кран; МК — мембранный клапан; ПБ — пневмобак; ВФ — воздушный фильтр; М — манометр; РМ — ротаметр; НД — дозировочный насос
Работа установки оценивалась ежедневно по следующим показателям: взвешенные вещества в исходной и очищенной сточной жидкости, температура, концентрация растворённого кислорода, доза ила в иловой смеси биореактора. Состояние биологической системы биореактора контролировалось с помощью гидробиологического анализа активного ила. Периодически производился полный анализ сточной жидкости, включающий определение рН, ХПК, азота аммонийного, азота общего, азота нитритного и нитратного, фосфора общего. Фосфатов, сульфатов и хлоридов.
На рисунке 2 представлены результаты исследований в режиме биологической очистки сточной жидкости.
Рисунок 2. Изменение трансмембранного давления и количества пермеата при фильтрации иловой смеси биореактора
В процессе проведения эксперимента продолжительность фильтроцикла, продолжительность и интенсивность промывок менялись. Оптимальное значение интенсивности фильтрации для режима биологической очистки составило 21,6 л/(м2∙ч). Оптимальным трансмембранным давлением является 0,1—0,11 Мпа или 1—1,1 атм. При этом продолжительность фильтроцикла составляет — 5 минут, продолжительность промывки — 15 секунд, интенсивность промывки — 65,5 л/(м2∙ч). Производительность установки при данном режиме составила 119 л/ч.
На втором этапе исследовалась установка, работающая в режиме доочистки биологически очищенной сточной жидкости после вторичных отстойников с концентрацией взвешенных веществ 15 мг/л. Данный этап был проведён из тех соображений, что на новосибирской станции аэрации наблюдается проблема «вспухания» активного ила, поэтому, при строительстве блока доочистки на действующей станции, зернистые фильтры не смогут справиться с задачей приёма стоков, содержащей большое количество взвеси.
На данном этапе исследований варьировались следующие показатели: продолжительность фильтроцикла, интенсивность фильтрации, продолжительность и интенсивность промывки. На рисунке 3 показано изменение трансмембранного давления и количества пермеата при фильтрации биологически очищенной сточной жидкости после вторичных отстойников.
Рисунок 3. Изменение трансмембранного давления и количества пермеата при фильтрации биологически очищенной сточной жидкости после вторичных отстойников
Оптимальное значение интенсивности фильтрации для режима доочистки стоков после вторичных отстойников составило 26,4 л/(м2∙ч). При этом продолжительность фильтроцикла составляет — 5 минут, продолжительность промывки — 15 секунд, интенсивность промывки — 65,5 л/(м2∙ч). Производительность установки при данном режиме составила 145 л/ч.
Исследования по выявлению оптимальных параметров работы экспериментальной установки. С более высокой дозой активного ила в биореакторе и с более высокой концентрацией взвешенных веществ в биологически очищенных стоках продолжаются.
Список литературы:
1.Видякин М.Н. Очистка сточных вод с применением технологии мембранного биореактора// Экология производства. — 2009. — № 3.
2.Поляков А.М., Соловьёв С.А., Видякин М.Н. Технология мембранного биореактора (МБР) для очистки природных и сточных вод// Критические технологии. Мембраны. — 2008. № 3.
sibac.info
