г. Казань
(843) 273-77-45
info@spm-k.ru

Приглашаем к сотрудничеству

МЕМБРАНЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД

Авторы статьи: А. Г. ПЕРВОВ, Д. Г. СМИРНОВ, Н. Б. МОТОВИЛОВА.
Статья публиковалась в журнале ВОДОСНАБЖЕНИЕ И САНИТАРНАЯ ТЕХНИКА. 2009. № 7

Ухудшение качества воды в поверхностных источниках происходит из-за их постоянного загрязнения как веществами антропогенного происхождения (нефтепродуктами, поверхностно активными веществами), так и органическими и биогенными элементами, что связано с недостаточной глубиной доочистки сточных вод. Для уменьшения сброса сточных вод и расходования свежей воды из водоисточников в США, Австралии и других странах осуществляется глубокая доочистка бытовых сточных вод для их повторного использования в различных системах городского хозяйства (теплосети, полив, системы охлаждения).
Существующие технологии физико-механической, химической и биологической очистки (коагуляция, сорбция, мембранные биореакторы) не всегда обеспечивают глубокое удаление ряда биогенных элементов (нитратов и фосфатов) и загрязнений антропогенного характера, позволяющее использовать очищенные воды в хозяйственных целях. Кроме того, глубина очистки требует больших капитальных и эксплуатационных затрат. Современные мембранные технологии (обратный осмос, нанофильтрация, ультрафильтрация) обеспечивают высокую эффективность удаления из воды взвешенных и коллоидных веществ, бактерий, вирусов, органических соединений и ионов солей. Мембранные технологии нельзя считать совершенными, поскольку при их практическом применении не всегда можно получить требуемый эффект из-за загрязнения мембран осадками веществ различной природы и связанного с этим ухудшения показателей работы мембран. Для предотвращения осадкообразования на мембранах используются различные технологические решения: химические и гидравлические промывки мембран, системы глубокой предочистки перед мембранными установками и др. Мембранные технологии стали привлекать внимание специалистов по очистке сточных вод благодаря высокой эффективности и универсальности в удалении загрязнений различной природы. Ранее мембраны использовались в процессе биологической очистки для задержания взвешенных веществ, активного ила и т. д. Однако высокие селективные свойства мембран позволяют очищать сточные воды без биологической очистки. Таким образом, могут быть созданы технологии, отличающиеся низкими эксплуатационными и капитальными затратами. Технология с использованием мембранных биореакторов становится все более популярной благодаря компактности, уменьшению строительных объемов сооружений, достижению более глубокого уровня очистки по БПК, соединениям азота и фосфора. В настоящее время для очистки иловой смеси применяют погружные мембранные блоки (с плоскими мембранами или мембранами в виде капилляров). Движущей силой процесса является перепад давлений, достигаемый с помощью вакуум насосов, откачивающих фильтрат (прошедшую через мембраны воду). Технологическая схема процесса очистки показана на рис. 1.

Аппараты работают в тупиковом режиме, при котором вся вода проходит через мембраны. Удаление образующегося на мембранах осадка осуществляется промывкой обратным током. Применение вакуум-насосов связано, по мнению разработчиков, с возможностью повышения надежности процесса, снижения опасности загрязнения и закупорки мембран. Ранее в биореакторах использовались другие типы мембран и режимы работы: иловая смесь насосом подавалась в аппараты с трубчатыми мембранами. Процесс очистки проходил в тангенциальном режиме при поддержании большой скорости потока в аппаратах для снижения уровня концентрационной поляризации и предотвращения осадкообразования [2; 3]. Однако недостатком технологии (рис. 2) являются высокие эксплуатационные затраты, связанные с потреблением электроэнергии. 

Процесс биологической очистки не позволяет повторно использовать очищенную сточную воду для хозяйственно-питьевых целей. Для этого в мировой практике начинают внедрять технологию обратного осмоса: биологически очищенная сточная вода подвергается очистке методом обратного осмоса. Поскольку поступающая на обратноосмотические установки вода должна пройти глубокую предочистку, очистка сточных вод с помощью мембранных биореакторов является обязательным требованием (рис. 3). 

С 1970-х годов в США распространилась концепция косвенного повторного использования воды в питьевом водоснабжении, которая состоит в глубокой доочистке сточной воды методом обратного осмоса для целей пополнения водоемов питьевого назначения (водохранилищ) [4]. Поскольку обратноосмотический процесс позволяет эффективно задерживать целый ряд загрязнений, у исследователей появились идеи использовать этот процесс для очистки бытовых стоков [5; 6] или доочищать биологически очищенные воды [7]. При этом повышается эффективность очистки и значительно сокращаются расходы на доочистку (рис. 3).
В табл. 1 приведены результаты экспериментов по задержанию обратноосмотическими мембранами основных компонентов бытовых сточных вод [5–7].

Однако для успешного применения обратноосмотической технологии при очистке сточных вод необходимы эффективные системы предочистки. Это достигается с помощью классических процессов коагулирования с последующим фильтрованием или современных мембранных методов предочистки – микрофильтрации и ультрафильтрации [7]. Добиться качественной предочистки перед установками обратного осмоса – задача достаточно сложная, поскольку работа систем предочистки не всегда оказывается стабильной вследствие колебаний состава исходной воды. Кроме того, капитальные и эксплуатационные затраты на предочистку иногда даже превышают затраты на обратный осмос.
Многолетние исследования по выявлению причин и закономерностей осадкообразования на мембранах позволили сделать вывод, что интенсивность загрязнения мембран определяется не столько гидродинамическими факторами (скорость, уровень концентрационной поляризации), сколько химическими свойствами мембран и конфигурацией мембранных каналов в аппаратах [8; 9]. Представленные на современном рынке водоочистного оборудования аппараты рулонного типа с обратноосмотическими, нанофильтрационными и ультрафильтрационными мембранами не приспособлены для обработки сточных вод, содержащих в больших количествах взвешенные вещества, бактерии, растворенные органические соединения. Главный недостаток рулонной конструкции – наличие в мембранном канале сепараторной сетки, которая, являясь «ловушкой» для взвешенных частиц, создает значительное сопротивление потоку, что приводит к резкому увеличению потерь напора в системе очистки при загрязнении мембран.
Удаление загрязнения сепараторной сетки способствовало разработке нового вида рулонной конструкции с открытым каналом. Такой канал имеет малое гидравлическое сопротивление, благодаря чему оказывается возможным без существенных затрат электроэнергии поддерживать в аппарате высокие значения скорости потока, предотвращая оседание взвешенных веществ на мембранах.
В практике очистки поверхностных и сточных вод с высоким содержанием взвешенных веществ известны случаи применения мембранных аппаратов трубчатой конструкции, не имеющих застойных зон. Надежность работы таких систем объясняется поддержанием высоких значений скорости потока над мембраной, вызывающих «отрыв» осевших частиц с поверхности мембраны. Такой процесс невозможно осуществить в аппаратах рулонной конструкции ввиду высокого сопротивления канала и опасности быстрого загрязнения сепараторной сетки.
Рулонная конструкция мембранных аппаратов имеет огромные преимущества перед трубчатыми и капиллярными конструкциями прежде всего благодаря низкой стоимости [8]. Кроме того, фильтрующая поверхность мембран в рулонном аппарате, приходящаяся на единицу объема аппарата (удельная фильтрующая поверхность), в несколько раз больше, чем у аппаратов других конструкций. Для поддержания требуемой величины скорости потока над мембраной расходы транзитного потока в аппаратах рулонной конструкции оказываются значительно меньшими, чем в аппаратах трубчатого типа. Поэтому разработка аппарата рулонной конструкции с улучшенными гидравлическими и технологическими характеристиками позволяет предложить высоко-эффективную и экономичную технологию очистки и доочистки сточных вод с возможностью их повторного использования.
Показатели качества очищенной воды приведены в табл. 2.

На рис. 4 показаны примеры «встраивания» мембранных систем в существующие технологические схемы очистки бытовых стоков с использованием биофильтров и аэротенков (биореакторов). В первом случае (рис. 4, а) очистка происходит в режиме циркуляции через биофильтр, аппараты с нано- и ультрафильтрационными мембранами. При достижении заданного уровня очистки вода проходит через ультрафильтрационный аппарат, очищаясь от взвешенных веществ. При смешении двух потоков (фильтрата после нанофильтрационных мембран и биологически очищенного фильтрата после ультрафильтрационных мембран) достигается заданный уровень качества очистки и баланс солей, приходящих и уходящих с установки. Образующиеся на мембранах осадки взвешенных и органических веществ удаляются с мембран во время гидравлических промывок и направляются в отстойник. При резком падении давления в системе (открывании клапанов) происходит гидравлический удар, резко возрастает скорость потока над мембраной, и происходит разрушение слоя осадка и его вынос. Продолжительность циклов промывки и интервалы между промывками задаются на основании проведенных испытаний.
В случае использования биореакторов обратноосмотические (или нанофильтрационные) мембраны соответствуют технологии мембранного биореактора (рис. 4, б), а ультрафильтрационные мембраны служат для вывода избыточного количества солей. Высокое качество очистки достигается применением нанофильтрационных мембран, позволяющих задержать азотистые соединения, фосфаты, органические соединения (БПК).
ВЫВОДЫ
Смешение потоков обессоленной, глубоко очищенной и прошедшей биологическую очистку сточной воды позволяет получить высокое качество смеси (за счет разбавления) с солесодержанием воды на выходе из очистных сооружений, соответствующим исходному значению. Кроме того, приочистке большей части сточной воды с помощью мембранных технологий сокращается объем сооружений биологической очистки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gagliardu P., Aghan S. Water reclamation with membrane bioreactors: Proc. of the conf. on Membranes. – Paris, October 2000 // Desalination publications. L’Aquila, Italy, 2000. V. 2.
2. Kyn-Hong Ahn. Performance comparison of a direct membrane bioreactor for domestic wastewater treatment and water reuse: Proc. of the conf. on Membranes. Paris, October 2000 // Desalination publications. L’Aquila, Italy, 2000. V. 2.
3. Kyn-Hong Ahn. Retrofitting municipal sewage treatment plants using an innovative membrane bioreactor system // Desalination. 1999. V. 124.
4. Losier J., Fernandez A. Using a membrane bioreactor/reverse osmosis system for indirect potable reuse: Proc. of the conf. on Membranes. – Paris, October 2000 // Desalination publications. L’Aquila, Italy, 2000. V. 2.
5. Duin O., Wessels P. Direct nanofiltration or ultrafiltration at WWTP effluent? Proc. of the conf. on Membranes. – Paris, October 2000 // Desalination publications. L’Aquila, Italy. 2000. V. 2.
6. Abdel-Javad M., Ebrahim S. Advanced technologies for municipal wastewater purification: technical and economic assessment // Desalination. 1999.V. 124.
7. Del Pino M. P. Wastewater reuse through dual-membrane processes: opportunities for sustainable water resources // Desalination. 1999. V. 124.
8. Riddle R. A. Open channel ultrafiltration for reverse osmosis pretreatment: IDA world conference on Desalination and Water reuse. – August 25–29, 1991, Washin gton, Pretreatment and fouling.
9. Pervov A. G., Melnikov A. G. The determination of the required foulant removal degree in RO feed pretreatment: IDA world conference on Desalination and Water reuse. – August 25–29, 1999, Washington, Pretreatment and fouling.


Copyright © 2011 - "СПМ-инжиниринг" - Все права защищены