Мембранно-биологические технологии очистки сточных вод. Мембранные технологии очистки сточных вод
Мембранные методы очистки сточных вод Обратный осмос и
Мембранные методы очистки сточных вод. Обратный осмос и ультрафильтрация
Обратный осмос и ультрафильтрация - процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны (избирательно пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие растворенные в них вещества) под давлением, превышающим осмотическое давление. В основе лежит явление осмоса - самопроизвольного перехода растворителя (воды) в раствор через полупроницаемую мембрану. Давление π в растворе, заставляющее растворитель переходить через мембрану, называют осмотическим. Создав над раствором давление равное осмотическому, осмос прекращается и наступает состояние равновесия. Если же над раствором создать избыточное давление p 2, превышающее осмотическое давление π на величину Δр, то переход растворителя будет осуществляться в обратном направлении и тогда процесс называют обратным осмосом. Величина осмотического давления π (в Па) для растворов определяется по уравнению Вант-Гоффа π = с. МRT = βRTc/M, (6. 88) где с. М - молярная концентрация растворенного вещества; с – концентрация, г/л; R – газовая постоянная; T – абсолютная температура раствора, К; β = (1 + α) – коэффициент Вант-Гоффа; α – степень диссоциации растворенного вещества; М – молекулярная масса растворенного вещества, г/моль.
Механизм фильтрования 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 ультрафильтрации размер отделяемых частиц dч на порядок больше. В процессе ультрафильтрования мембраной задерживаются высокомолекулярные вещества, а низкомолекулярные вещества и растворитель свободно проходят через поры мембраны. При обратном осмосе мембраной задерживаются как высокомолекулярные вещества, так и большая часть низкомолекулярных веществ, а проходит через поры мембраны только почти чистый растворитель. Условные границы применения: обратный осмос: dч = 0, 0001 – 0, 001 мкм; ультрафильтрация: dч = 0, 001 – 0, 02 мкм; макрофильтрация: dч = 0, 02 – 10 мкм. От обычной фильтрации такие процессы отличаются отделением частиц меньших размеров. Давление, необходимое для проведения процесса обратного осмоса (6 – 10 МПа), значительно больше, чем для процесса ультрафильтрации (0, 1 – 0, 5 МПа).
Обратный осмос и ультрафильтрование принципиально отличаются от обычного фильтрования. Если при обычном фильтровании осадок откладывается на фильтровальной перегородке, то при обратном осмосе и ультрафильтровании образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом. Обратный осмос широко используется для обессоливания воды в системах водоподготовки теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) и предприятий по производству полупроводников, кинескопов, медикаментов, для очистки некоторых промышленных и городских сточных вод. Установка обратного осмоса (рис. 6. 13) состоит из насоса высокого давления и модуля (мембранного элемента), соединенных последовательно. Сточная вода 2 3 >Концентрат Очищенная вода Рис. 6. 13. Схема установки обратного осмоса: 1 – насос; 2 – модуль обратного осмоса; 3 – мембрана; 4 – выпускной клапан.
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. При ультрафильтрации растворенные вещества задерживаются на мембране потому, что размер молекул их больше, чем размер пор, или вследствие большого трения их молекул о стенки пор мембраны. Эффективность процесса зависит от свойств мембран. Они должны обладать высокой селективностью, большой проницаемостью, устойчивостью к действию среды, постоянством характеристик в процессе эксплуатации, достаточной механической прочностью, низкой стоимостью. Селективность формуле φ (в %) мембран в процессе разделения определяют по φ = 100(со - сф)/со = 100(1 - сф/со), (6. 89) где с0 и сф - концентрация растворенного вещества в исходном растворе (сточной воде) и фильтрате (очищенной воде).
Пористость Р мембраны можно выразить соотношением Р = πdср2 n/4, где dср - средний диаметр пор, м; n - число пор на 1 м 2 площади мембраны. Проницаемость определяется количеством фильтрата Q, полученного в единицу времени с единицы рабочей поверхности: Q = k 1 (Δр – Δро), (6. 91) где Δр – разность давлений воды до и после мембраны; Δро – разность осмотических давлений; k 1 - коэффициент, зависящий от проницаемости мембраны. 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 Na 2 SO 4 - 43 к. Па, а для Na. HCO 3 - 89 к. Па. В процессе очистки некоторое количество растворимого вещества проходит через мембрану вместе с водой. Этот проскок S практически не зависит от давления: S = k 2(Со - Сф), (6. 92) где k 2 - константа мембраны.
Для проведения процесса применяют непористые - динамические и диффузионные мембраны, представляющие собой квазигомогенные гели, и пористые мембраны в виде тонких пленок, изготовленные из полимерных материалов. Наиболее распространены полимерные мембраны из ацетатцеллюлозы, полиэтилена, политетрафторэтилена, пористого стекла. Процесс мембранного разделения зависит от давления, гидродинамических условий и конструкции аппарата, физико-химической природы и концентрации сточных вод, содержания в них примесей, от температуры. Увеличение концентрации раствора приводит к росту осмотического давления растворителя, повышению вязкости раствора и росту концентрации поляризации, т. е. к снижению проницаемости и селективности. Достоинства метода: отсутствие фазовых переходов при отделении примесей; возможность проведения процесса при комнатных температурах без применения или с небольшими добавками химических реагентов; простая конструкция аппаратуры. Недостатки метода: явление концентрационной поляризации, т. е. рост концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны, что приводит к снижению производительности установки, степени разделения компонентов и срока службы мембран; проведение процесса при повышенных давлениях, что требует специальных уплотнений аппаратуры.
Обратный осмос рекомендуется использовать при следующей концентрации электролитов: для одновалентных солей - не более 5 - 10 %; для двухвалентных – 10 - 15 %; для многовалентных – 15 - 20 %. Для органических веществ эти пределы выше. Для уменьшения влияния концентрации поляризации организуют рециркуляцию раствора и турбулизацию прилегающего к мембране слоя жидкости. 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. С ростом температуры увеличивается проницаемость мембран, но при этом повышается осмотическое давление, которое уменьшает проницаемость; также начинается усадка и стягивание пор мембраны, что также снижает проницаемость; возрастает скорость гидролиза, сокращая срок службы мембран. Например, ацетатцеллюлозные мембраны при 50°С разрушаются, поэтому необходимо работать при температуре 20_30°С.
Конструкция аппаратов для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации должна обеспечивать большую поверхность мембран в единице объема, механическую прочность и герметичность. По способу укладки мембран аппараты подразделяются на четыре основные типа: • типа фильтр-пресс с плоскопараллельными фильтрующими устройствами; • с трубчатыми фильтрующими элементами; • с рулонными или спиральными элементами; • с мембранами в виде полых волокон.
present5.com
Современные технологии очистки хозбытовых сточных вод с использованием мембранных биореакторов.
В настоящее время на российском рынке в основном представлены установки для очистки хозбытовых сточных вод, в основу работы которых заложены многоступенчатые схемы. Это связано с тем, что классические биологические методы без дополнительных ступеней доочистки не обеспечивают требуемого качества очистки сточных вод. Так, например, по нормативным требованиям для сброса очищенных стоков в рыбохозяйственные водоемы значение БПКполн должно быть не более 3,0 мг/л, а биологическими методами очистки можно добиться значений БПКполн всего 8-12 мг/л. Особенно это актуально для небольших, производительностью до 150-200 м3/сут, установок.
Предел качества очистки по биологической технологии связан с неизбежным выносом активного ила вместе с очищенной водой. Вынос активного ила приводит к вторичному загрязнению очищенной сточной воды и требует применения специальных методов ее доочистки.
Доочистка в классической технологии производится на механических и сорбционных фильтрах с применением различных реагентов (коагулянтов, флокулянтов, щелочи, дезинфектантов, биогенных добавок, биопрепаратов и т.д.).
Лимитирующим фактором при использовании фильтров доочистки является малый ресурс фильтрующих загрузок, связанный с их быстрым биобрастанием, заиливанием и выходом из строя, приводящим к проскокам загрязняющих веществ. Кроме того, значительно увеличивается стоимость очистки воды.
Многоступенчатая очистка, преподносимая производителями как залог эффективности установок, по сути, означает обратное - технологическое несовершенство, их сложность, ненадежность и, в конечном итоге, неспособность устойчиво обеспечивать качество очистки сточных вод в соответствии с нормативными требованиями, предъявляемыми российским законодательством.
Альтернативой технологии биологической очистки с многоступенчатой очисткой и постоянным вводом реагентов является современная мембранно-биологическая технология очистки сточных вод с использованием мембранного биореактора (МБР).
Задача обеспечения нормативов качества очищенной сточной воды для объектов локального водоотведения не получила удовлетворительного решения при эксплуатации классических проточных систем биологической очистки. Многолетний опыт эксплуатации таких сооружений вызывает необходимость применения для очистки сточных вод принципиально новых технологий.
Технологический прорыв в этом направлении произошел около пятнадцати лет назад, когда в области очистки сточных вод появились мембранные биореакторы (МБР).
Принцип действия установок очистки сточных вод построенных на базе мембранного биореактора достаточно прост. В основу действия биореактора положен синтез биотехнологии и технологии разделения водных суспензий на микро- и ультрафильтрационных полимерных мембранах.
Система МБР состоит из аэротенка и мембранного модуля, оборудованного половолоконными ультрафильтрационными мембранами. Обрабатываемые сточные воды поступают в аэротенк, в котором и происходит биологическое окисление загрязнений микроорганизмами, содержащимися в активном иле. Находящаяся в аэротенке иловая смесь циркулирует через мембранный модуль, омывая при этом половолоконные мембраны. Половолоконные мембраны служат для разделения очищенной воды и активного ила, а также для повышения его концентрации в аэротенке и глубокой механической очистки обрабатываемых сточных вод. Аэротенк в системе МБР работает с высокой концентрацией активного ила, поэтому его размеры в 2-3 раза меньше размеров классического проточного аэротенка. Кроме того, высокая концентрация активного ила способствует более глубокой очистке стоков.
Аэрирование в мембранных биореакторах осуществляется также, как и в обычных аэротенках – преимущественно с использованием мелкопузырчатых аэраторов.
Применяемое в системах МБР тангенциальное фильтрование иловой смеси предотвращает ее забивание, т. е. накопление на ней отложений, в т.ч. бактерий. Кроме этого, реализация режима тангенциального фильтрования имеет положительные последствия в отношении биологии всей системы. Постоянное омывание мембран диспергирует очищающие бактерии, которые более не образуют плотные флоккулы, а потому возможность их прямого контакта с загрязнениями и кислородом значительно увеличивается. Из этого следует, что соотношение активных бактерий и окисляемых загрязнений оказывается большим в системе МБР, чем это обычно встречается в классической системе с активным илом. Кроме этого, постоянная циркуляция приводит к механическому воздействию на оболочки бактерий. Именно поэтому основная потребляемая бактериями энергия используется не для размножения (как это происходит в классических биотехнологиях), а расходуется для поддержания жизнедеятельности, что приводит к снижению прироста избыточной активной биомассы.
Микроорганизмы активного ила не выносятся из системы МБР, биореактор работает в условиях высокой концентрации биомассы значительного возраста, поэтому ему не страшен такой бич вторичных отстойников, как «вспухание» активного ила.
При любом фильтровании требуется периодическая чистка и регенерация фильтрующей загрузки для восстановления ее исходных характеристик и снятия возможных органических и минеральных отложений. В мембранных биореакторах для этого применяется недорогой и эффективный гипохлорит натрия.
Промывка мембранного блока осуществляется с помощью циркуляционного насоса, который обеспечивает равномерное омывание мембран по всей их длине, что гарантирует одинаковую чистоту поверхности в любой точке. Химическая промывка мембранного блока автоматизирована. Она длится несколько минут и осуществляется один раз в неделю в качестве профилактической меры в автоматическом режиме. Продукты промывки остаются в ёмкости биореактора и не требуют утилизации.
www.ekos-s-water.ru
| Очистка сточных вод является экологическим требованием, которое позволит сохранить сносные условия существования для человечества. На рынке представлены различные установки, выполняющие очищение сточных вод, в основе их работы – многоступенчатые схемы, поскольку методы биологической очистки не обеспечивают нужное качество очищения. Биологическая технология имеет предел качества очистки, который обусловлен неизбежным выносом с очищенной водой активного ила, которые приводит к повторному загрязнению очищенной воды, после биологической очистки необходимо применять дополнительные технологии для доочистки воды. По классической технологии доочистка проводится с помощью механических и сорбционных фильтров, при этом применяются различные флокулянты, коагулянты, щелочи и биопрепараты. Ограничивающим фактором является малый ресурс фильтровальных материалов для доочистки, так как фильтры заиливаются и выходят из строя, что приводит к снижению качества дочищенной воды за счет проскоков загрязняющих веществ. Более действенной альтернативой биологической многоступенчатой очистки считаются мембранно-биологические установки по очистке сточных вод с помощью мембранного биореактора (МБР), в основу действия которого положен синтез двух технологий: технологии разделения различных водных суспензий и биотехнологии с использованием ультрафильтрационных полимерных мембран. МБР состоит из аэротенка и ультрафильтрационного мембранного модуля. Сначала сточные воды поступают в отделение аэротенка, где происходит циркуляция иловой смеси через мембранный модуль. Мембраны повышают концентрацию активного ила и способствуют глубокой очистке фильтруемых сточных вод. Из-за высокой концентрации активного ила в поступающей воде аэротенк в 2-3 раза меньше, чем классический проточный аэротенк. Состав мембранного блока зависит от требуемой производительности. Если нужно повысить производительность системы, можно увеличить число мембранных модулей в блоке. В системах МБР применяют касательное фильтрование ила, что предотвращает забивание мембраны и накопление на ней различных отложений в виде бактерий. Циркуляционный насос с высокой производительностью обеспечивает движение иловой смеси, но полноценное управление мембранным фильтрованием возможно только при регулировании давления в циркуляционном контуре. При этом из системы МБР не выносятся микроорганизмы и частицы активного ила, но постоянная циркуляция обуславливает постоянное механическое воздействие на оболочки бактерий. За счет этого потребляемая микроорганизмами энергия направляется не на размножение, но расходуется на поддержание жизнедеятельности, что способствует снижению прироста лишней активной биомассы. |
www.water.ru
Мембранные методы очистки сточных вод
из "Экология производства химических продуктов из нефти и газа"
Существуют следующие мембранные методы микрофильтра-цня — процесс разделения коллоидных растворов и взвесей под действием давления ультрафильтрация — разделение жидких смесей под действием давления обратный осмос — разделение жидких растворов путем проникновения через полупроницаемую мембрану растворителя под действием приложенного к раствору давления, превышающего его осмотическое давление диализ — разделение в результате различия скоростей диффузии веществ через мембрану, проходящее при наличии градиента концентрации электродиализ — процесс прохождения ионов растворенного вещества через мембрану под действием электрического ноля. [c.106] Ультрафильтрацию и обратный осмос применяют в системах локальной обработки сточных вод при небольших их расходах для концентрирования и выделения относительно ценных компонентов и очистки воды. [c.106] Процессы мембранного разделения с использованием обратноосмотических мембран однотипны. Исходную разделяемую жидкость насосом под давлением прокачивают с определенной скоростью над рабочим слоем мембраны. Вода и часть растворенных в ней веществ проталкиваются сквозь поры мембраны и отводятся в виде фильтрата. Молекулы, их ассоциаты и частицы жидкой смеси, имеющие больший размер, чем размеры пор мембраны, задерживаются, концентрируются в остатке жидкой смеси и образуют второй продукт процесса — концентрат. Концентрат циркулирует непрерывно до получения требуемой или допустимой степени обезвоживания задержанных мембраной веществ. Процесс осуществляют при давлении 1,4—5 МПа и скорости истока жидкой среды над мембраной 0,2—0,3 м/с. Установки обратного осмоса компактнее дистилляционных и электродиализных, просты и удобны в эксплуатации. [c.107] Материалы мембран для обратного осмоса разнообразны. Широко применяют ацетатцеллюлозные мембраны в виде плос-кпх пленок и полиамидные мембраны в виде полых волокон. Требования, предъявляемые к мембранам для обратного осмоса,— высокие проницаемость и селективность, а также способность противостоять значительной разности давлений (по обеим сторонам мембраны). [c.107] За рубежом на основе ароматических хлорангидридов и ароматических аминов разработана мембрана с ультратонким (около 200 нм) слоем, которая характеризуется высокой водопроницаемостью (1 м /м yт) при рабочем давлении 1,5 МПа и степени очистки от солей 99,5%. Такое давление при обратном осмосе по сравнению с обычным (примерно 5 МПа) открывает принципиально новые возможности для его применения при во-доподготовке и разделении водоорганических и органических смесей. [c.107] Существенное преимущество обратного осмоса перед другими методами очистки сточных вод — одновременная очистка от неорганических примесей, что особенно важно в системах оборотного водоснабжения. Обеспечивается возможность получения наиболее чистой воды, так как мембраны могут задерживать практически все растворенные вещества и взвеси минерального и органического характера, в том числе бактерии, микробы и другие мнкроформы. [c.107] Во ВНИИнефтехиме на основе лабораторных и пилотных испытаний по обессоливанию сточных вод нефтехимических комбинатов разработана технологическая схема промышленной станции производительностью примерно 7 млн. м /год очищаемой воды, которая позволяет создать бессточную систему оборотного водоснабжения (рис. 39). [c.107] Концентрат после второй ступени с содержанием солей около 50 ООО мг/л поступает в сборник, откуда его периодически откачивают и сжигают. [c.108] Сопоставление технико-экономических показателей обратного осмоса обессоливания сточных вод (принят годовой срок службы мембран) и ионного обмена (состав примесей в воде в обоих случаях одинаков) показало, что затраты при обратном осмосе в 2,2 раза меньше, чем при ионном обмене. Мембранная технология — одно из приоритетных направлений научно-технического прогресса, так как позволяет создать ресурсосберегающие и безотходные технологические процессы, решить экологические задачи. [c.109]Вернуться к основной статье
chem21.info
