Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время на российском рынке представлены установки очистки сточных вод, в основу работы которых заложены многоступенчатые схемы. Это связано с тем, что классические биологические методы без дополнительных блоков доочистки не обеспечивают требуемого качества очистки сточных вод. Так, например, по нормативным требованиям для сброса очищенных стоков в рыбохозяйственные водоемы значение БПК_полн должно быть не более 3,0 мг/л, а биологическими методами очистки можно добиться значений БПК_полн всего 10-15 мг/л.

Глава 1. Мембранно-биологическая очистка сточных вод

В настоящее время на российском рынке представлены установки очистки сточных вод, в основу работы которых заложены многоступенчатые схемы. Это связано с тем, что классические биологические методы без дополнительных блоков доочистки не обеспечивают требуемого качества очистки сточных вод. Так, например, по нормативным требованиям для сброса очищенных стоков в рыбохозяйственные водоемы значение БПК_полн должно быть не более 3,0 мг/л, а биологическими методами очистки можно добиться значений БПК_полн всего 10 - 15 мг/л.

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 биообрастанием, заиливанием и выходом из строя, приводящим к проскокам загрязняющих веществ.

Термин «многоступенчатая доочистка», преподносимый поставщиками как синоним эффективности, по сути, означает обратное - технологическое несовершенство установок, 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 доочисткой 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 негативный 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

В основу действия биореактора положен синтез биотехнологии и технологии разделения водных суспензий на ультрафильтрационных полимерных мембранах.

Рис. 1.

Система МБР состоит из аэротенка и мембранного модуля, оборудованного половолоконными ультрафильтрационными мембранами. Обрабатываемые сточные воды поступают в аэротенк. Находящаяся в аэротенке иловая смесь циркулирует через мембранный модуль. Ультрафильтрационные мембраны служат для повышения концентрации активного ила в аэротенке и глубокой 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.

Аэрирование осуществляется сжатым воздухом с помощью аэрационных систем (воздуходувок). В зависимости от требуемой производительности мембранные модули объединяются в мембранный блок. Число мембранных модулей в блоке может быть увеличено при возникновении необходимости повышения производительности системы.

Применяемое в системах МБР касательное фильтрование иловой смеси предотвращает ее забивание, т.е. накопление на ней отложений (бактерий). Такое движение иловой смеси обеспечивается циркуляционным насосом с производительностью, значительно выше расхода подлежащей обработке сточной воды. Возможность регулирования расхода и давления в циркуляционном контуре позволяет наладить полноценное управление процессом мембранного фильтрования при максимальной его эффективности. Кроме этого, реализация режима касательного 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.

Микроорганизмы активного ила не выносятся из системы МБР, поэтому биореактор работает в условиях высокой концентрации биомассы значительного возраста. 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.

Преимущества установок очистки сточных вод построенных на базе мембранного биореактора

Таким образом, система МБР производит меньшее количество (на 20-50%) избыточного активного ила по сравнению с классическим способом аэробной обработки. А это, в свою очередь, позволяет существенно снизить общие эксплуатационные затраты, ибо затраты на утилизацию избыточного ила составляет 30-40% от общих эксплуатационных затрат очистных сооружений.

При любом мембранном фильтровании требуется периодическая чистка мембраны для восстановления ее исходных характеристик и снятия возможных органических и минеральных отложений. Поскольку мембранный блок системы МБР вынесен из биореактора и монтируется в отдельном помещении, он легко доступен для технического обслуживания.

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. Промывка мембранного блока полностью автоматизирована. Она длится несколько часов и осуществляется несколько раз в год в качестве профилактической меры в автоматическом режиме.

Применение технологии МБР позволяет:

· произвести, без включения в технологическую схему дополнительных блоков, глубокую очистку сточных вод от загрязняющих веществ до показателей, удовлетворяющих требованиям по сбросу очищенных стоков в природные водоемы всех категорий;

· повысить устойчивость работы биореактора к залповым сбросам биорезистивных веществ, характерных для промышленных объектов локального водоотведения;

· снизить на 20-40% массогабаритные характеристики емкостных сооружений, так как необходимое количество активного ила находится в меньшем объеме при более высокой концентрации;

· уменьшить на 30-70% площади, занимаемые оборудованием (ввиду отсутствия вторичных отстойников, блоков доочистки, иловых площадок);

· обеспечить высокую микробиологическую безопасность очищенных стоков (за счет двухступенчатой безреагентной системы обеззараживания: мембраны не пропускают микроорганизмы, и ультрафиолетовое облучение обеспечивает дополнительное обеззараживание воды).

Глава 2. Инновационные мембранные технологии очистки мыло- и

жирсодержащих сточных вод

В жироперерабатывающей отрасли локальные производственные сточные воды содержат различные загрязняющие вещества: жиры, белки, углеводы, глицерин, фосфатиды, сульфат натрия, хлористый натрий и др. На предприятиях сложилась практика объединения этих вод в один поток и очистки реагентными физико-химическими методами. Такое решение имеет ряд недостатков:

- видоизменение жиров с образованием алюминиевых мыл и гидроокиси алюминия, вследствие чего утилизация извлеченной жиромассы становится невозможной и она вывозится на свалку;

- потребность в реагентах, отдельных зданиях и сооружениях;

- сложность, связанная с наличием различных загрязняющих веществ.

Используя мембранные технологии, в каждом цеху необходимо осуществлять локальную очистку сточных вод с извлечением из них ценных компонентов и возвратом последних в производство без изменения физико-химических свойств (рис. 2).

В ряде случаев для достижения нормативов допустимого сброса в канализацию общего потока достаточно локально очистить наиболее загрязненные сточные воды одного производства, имеющие небольшой объем.

Рис. 2. ? Целесообразность применения мембранных процессов в

зависимости от размеров молекул растворенных веществ

Мембранные процессы можно реализовать в конструктивно простых малогабаритных и неэнергоемких установках.

Поскольку жировые вещества почти не обладают осмотическим давлением, их можно успешно выделить из водного раствора ультрафильтрацией под давлением до 6 атм., а низкомолекулярные жирные кислоты и другие сопутствующие вещества с незначительным осмотическим давлением - нанофильтрацией. При больших осмотических давлениях применяют обратный осмос.

В масложировой промышленности РФ накоплен значительный опыт применения ультрафильтрации при очистке мыло- и жирсодержащих сточных вод (МЖСВ). Десятки лет эксплуатируются ультрафильтрационные установки (УФУ) с различными полимерными мембранами.

Построенные на основе компромиссов мембранные технологии очистки МЖСВ должны обеспечивать:

- выполнение трех взаимоисключающих условий разделения (минимальная концентрация жиров в фильтрате (50 мг/л), максимальный поток через мембрану, максимальная концентрация жиров в концентрате);

- простоту изготовления и низкую стоимость оборудования.

Общие критерии применимости мембранных технологий - техническая осуществимость и экономическая целесообразность. УФУ должна быть интегрирована в оборудование и рассматриваться не как установка для очистки МЖСВ, а как аппарат основного процесса (рис. 3).

Рис. 3. ? Технологическая схема очистки оборотной воды

маслоэкстракционного цеха (МЭЦ)

Оборотная система МЭЦ Бельцкого масложиркомбината предусматривала очистку бензин и жирсодержащих сточных вод путем 2-стадийной реагентной напорной флотации и гравийной фильтрации. Проблемы утилизации жиромассы и забивания трубок конденсаторов белково-слизистым комплексом и гравием не были решены. Применение УФУ типа М8-УУФ с трубчатыми ультрафильтрами БТУ-0,5/2 марки Ф1 позволило отказаться от использования реагента, 2-й ступени флотации и гравийной фильтрации. Показатели очистки приведены в таблице.

Таблица 1. ? Эффективность очистки с помощью УФУ

Показатель	Величина
	до очистки	после очистки
Взвешенные вещества, мг/л	400	20
Жиры, мг/л	150	15
ХПК, мг О/л	1 000	250

Таким образом, локальная мембранная ультрафильтрационная установка для очистки МЖСВ в месте их образования интегрируется в оборудование технологического процесса, обеспечивая его заключительную стадию - жиры без видоизменения извлекают из сточных вод и возвращают в производство, а очищенные сточные воды применяют повторно. В большинстве случаев такой подход позволяет отказаться от дорогостоящих общих очистных сооружений и эффективно использовать ценные компоненты сточных вод, а также очищенную воду вместо свежей. Это улучшает экономические результаты деятельности предприятий и исключает отрицательное воздействие на окружающую среду.

Глава 3. Мембранная технология очистки жидких радиоактивных

отходов

К радиоактивным отходам относятся не подлежащие дальнейшему использованию вещества и материалы, в которых содержание радионуклидов превышает нормативные уровни. Главная особенность этого вида промышленных отходов (стоков) заключается в том, что дальнейшее использование их невозможно из-за того, что любые химические и физико-химические превращения не могут обеспечить биологическую безопасность этих веществ. Поскольку радиоактивность нельзя уничтожить, то технологические процессы переработки жидких радиоактивных сточных вод позволяют осуществить лишь максимально возможное концентрирование отходов с получением очищенной до предельно допустимых концентраций (ПДК) воды.

Дальнейшее обращение с концентратами предусматривает их отверждение и практически вечное хранение в специально оборудованных могильниках. К тому же стоимость эксплуатации могильников составляет самую большую долю от стоимости всего процесса обращения с радиоактивными стоками. Эта стоимость прямо пропорционально зависит от объема хранимых отходов, который, в свою очередь, обусловлен объемом поступающих на переработку жидких радиоактивных сточных вод, их составом и используемой технологией переработки и отверждения.

Источниками радиоактивных стоков являются следующие производства и операции:

· добыча и переработка радиоактивных руд, производство ядерного топлива;

· эксплуатация и снятие с эксплуатации атомных электростанций;

· переработка облученного ядерного топлива;

· производство оружейных материалов и процессы разоружения;

· эксплуатация и снятие с эксплуатации судов с транспортными ядерными энергетическими установками;

· проведение научно-исследовательских работ с использованием радиоактивных и делящихся материалов;

· применение радионуклидов в медицине, науке и технике.

По российским нормативам выделены три группы радиоактивных отходов (стоков) в зависимости от уровня активности [1]:

· низкоактивные - <10 ^{- 5} К u /л;

· среднеактивные - 10 ^{- 5} - 1,0 К u /л;

· высокоактивные - >1,0 К u /л.

В настоящее время в России накоплено 600 млн. м³ радиоактивных отходов с общей активностью около 1,5 млрд. К u. Более 90% этой активности связано с военной деятельностью по наработке ядерных оружейных материалов. Большая часть из них - жидкие отходы, причем в некондиционированном состоянии, т.е. неотвержденные, поэтому они представляют серьезную угрозу для окружающей среды и человека.

В состав жидких радиоактивных сточных вод входят также (в зависимости от происхождения), г/л:

· растворенные соли - 0,1-40,0

· растворенные органические вещества - 0,1-5,0

· микросуспензии и коллоиды - 0,01-0,1

· нефтепродукты - 0,0-1,0.

Таким образом, при огромной радиоактивности массовое содержание собственно радиоизотопов ничтожно мало - меньше 0,001 г/л, т.е. они составляют тысячные доли процента в общей массе сухого остатка. Основным недостатком традиционных технологий переработки жидких радиоактивных сточных вод является тот факт, что достижение необходимых коэффициентов очистки 10⁵ - 10¹⁰ возможно лишь при примерно такой же степени обессоливания растворов, при этом практически все компоненты системы переходят в концентраты, а затем в отвержденные блоки, а это требует огромных объемов хранилищ, так как во много раз увеличиваются масса хранимых отходов и соответствующие финансовые затраты.

В схемах переработки жидких радиоактивных сточных вод используется прежде всего дистилляция, позволяющая концентрировать практически все с довольно высокой чистотой конденсата, затем коагуляция с отстаиванием или фильтрацией. В последнее время появились центробежные осадительные сепараторы, хотя в большинстве случаев используют обычные песчаные фильтры. При наличии солей жесткости проводят реагентное умягчение.

Для низкоактивных стоков используется традиционный ионный обмен, и сегодня на атомных электростанциях (АЭС) накопились тысячи тони отработанных ионитов, представляющих собой вторичные твердые радиоактивные отходы.

Редко используется сорбция радиоактивных стоков на активированном угле, поскольку весь уголь в дальнейшем - те же вторичные отходы. Последним достижением в технологии обращения с жидкими радиоактивными стоками является разработка селективных неорганических сорбентов, связывающих конкретные радионуклиды из сложных по составу растворов [2]:

Сs⁺ = Ni₂[Fe(CN)₆] Cs₄ [Fe(CN)₆]+ 2Ni²⁺.

Склонность ионов щелочных металлов входить в состав ферроцианидов переходных металлов усиливается по мере увеличения ионного радиуса щелочного металла. По этой причине селективность сорбции цезия на фоне даже NaCI достигает нескольких тысяч.

Попытки применить мембранные процессы разделения для переработки жидких радиоактивных сточных вод предпринимались в прошлом довольно часто. Прежде всего в технологи ческой схеме, используемой для получения высокоомной воды, пробовали электродиализ и обратный осмос. Последовательность операций представлена на рис. 4.

Понятно, что часть воды по этой схеме может быть очищена до ПДК, но количество высокосолевых отходов (по объему до 50% от исходного) слишком велико, чтобы использовать такие процессы в отрасли. Масса вводимых химических реагентов может удваивать, а то и утраивать общее солесодержание исходного раствора, т.е. то, что хорошо для получения сверхчистой воды, где сбрасываемый концентрат практически не несет экологической опасности, очень плохо для решения проблем атомной промышленности.

Рис. 4. ? Традиционная технологическая схема глубокой очистки воды

Методы. Проблему можно решить, используя метод мицеллярно-усиленной ультрафильтрации. Суть его в том, что исходный раствор подвергают некоторой химической или физико-химической модификации, в результате чего токсичные компоненты стоков (в нашем случае радионуклиды) переводятся в ассоциированную форму, существующую, как правило, в виде коллоидов (отсюда и название метода). Далее модифицированный раствор подвергается мембранному разделению теперь уже на крупнопористой мембране ультра- или микрофильтрационной, которая задерживает только токсичные компоненты стоков, находящиеся в ассоциированной форме, но пропускает балластные соли и органические вещества.

В настоящее время разработано несколько способов такой модификации за счет добавления в очищаемые сточные воды [3]:

· водонерастворимого органического соединения, которое по механизму экстракции взаимодействует с нужным компонентом. Образующаяся эмульсия разделяется на пористой мембране с выполнением соответствующих требований;

· поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые при концентрации выше критической концентрации мицеллообразования (ККМ) приводят к дополнительной очистке за счет физической адсорбции загрязнителя на мицеллах ПАВ;

· водорастворимых полиэлектролитов с такими функциональными группами, которые способны по механизму ионного обмена, комплексообразования и т.п. присоединить к себе нужные компоненты. Раствор остается гомогенным, и разделение его осуществляется по законам ультрафильтрации растворов высокомолекулярных соединений (ВМС);

· свежеприготовленного золя или мелкодиспергированного сорбента, на частицах которого за счет физической адсорбции связывается нужный компонент;

· за счет перевода растворенных ионных частиц компонента в молекулярную, а затем коллоидную фазу при их гидролизе в результате добавления в раствор щелочи;

· химических реагентов, при взаимодействии с которыми нужный компонент переводится в нерастворимую форму. Образование осадка следует остановить на стадии формирования коллоидной фазы.

Хотелось бы подчеркнуть, что строгого разграничения между вышеизложенными вариантами не существует, т.е. для решения проблемы возможно взаимное дополнение вариантов.

Подробнее рассмотрим два последних способа, которые перспективны для высокоактивных отходов.

Образование осадка наступает при пересыщении системы, весь процесс по мере добавления осадителя можно разделить на три стадии:

· образование зародышей критического размера;

· агрегирование зародышей в частицы;

· осаждение частиц и структурирование осадка.

Остановить процесс в коллоидной области дисперсности можно различными способами: введением стабилизаторов (ПАВ, полимеры), которые, сорбируясь на поверхности коллоидных частиц, предотвращают их дальнейшую агрегацию; изменением температуры, величины рН и т.д. Выбор определяется природой реагирующих веществ. Интересно рассмотреть с этой точки зрения типичный ход кривых зависимости оптической плотности раствора D и степени очистки мембраной целевого компонента от рН раствора (рис. 5).

Рис. 5. ? Зависимость степени очистки и оптической плотности D от

степени кислотности рН растворов, содержащих ионы хрома (Сr):

1 - 500; 2 - 350; 3 - 100 мг/л

Здесь четко проявляются все три стадии процесса осадкообразования. Эффективная очистка промышленных сточных вод от хрома на мембране достигается при рН ~ 5,0; в то время как осадительные операции проводятся при рН > 9,0; т.е. расход щелочи больше в десятки раз.

Безусловно, ассоциирование токсичных компонентов стоков с помощью гидролиза или осадителей - это сложный физико-химический процесс, при котором исследователями контролируются и ускорение реакции, и размеры частиц, и агрегативная устойчивость системы. Но все это решаемые, и во многих случаях уже решенные проблемы. Несомненно, что присутствие одного хорошего химика «в команде» позволит решить любую задачу, в том числе и по другим видам отходов.

Весьма перспективным для очистки жидких радиоактивных сточных вод является такой вариант метода мицеллярно-усиленной ультрафильтрации, когда в исходный раствор вводится мелкодисперсный селективный адсорбент. Несколько изменяется технология самого адсорбента, когда целью становится коллоидная пыль продукта, а не гранулы, при этом побочным положительным результатом становится увеличение сорбционной емкости. Важным является также то обстоятельство, что связанные на коллоидных частицах сорбента радионуклиды далее не десорбируются, а фактически представляют собой уже отвержденные отходы.

При дезактивации спецодежды стиркой на 1 кг сухого белья используют около 100 г моющих средств и тратят около 30 кг воды, из них около 12 кг - на стирку и около 18 кг - на полоскание. По некоторым оценкам с 1 кг белья отстирывается 3-4 г обычных бытовых загрязнений - белки, микровзвеси, жиры и нефтепродукты, микроорганизмы, а также неизмеряемо малое в массовом выражении количество радионуклидов. В итоге при смешении двух потоков - воды стирки и воды полоскания - образуются жидкие низкоактивные сточные воды прачечной, имеющие следующий усредненный состав:

· сухой остаток - 3,5 г/л;

· из них органических (окисляемых) веществ - 1,7 г/л;

· из них собственно моющих средств - 3.3 г/л;

· удельная активность - 1·10^-7 - 1·10^-8 Ku /л;

Надо отметить, что в процессе стирки моющие вещества практически не расходуются, их функция - повысить растворимость загрязнений в воде, прежде всего за счет снижения поверхностного натяжения.

Мембранный процесс разделения жидких смесей - ультрафильтрация - позволяет практически полностью очистить промышленные сточные воды от высокомолекулярных, эмульгированных и микровзвешенных компонентов, в нашем случае - от отстирываемых бытовых загрязнений. В фильтрате остаются только моющие вещества, у которых молекулярная масса низкая, и, к сожалению, радионуклиды. Но благодаря тому, что радионуклиды - это химические элементы средней и нижней части менделеевской таблицы, которые обладают богатыми химическими свойствами, можно провести их ассоциирование, т.е. перевод их в такую форму существования в стоке, которая эффективно задерживается ультрафильтрационной мембраной. И тогда в фильтрате мы имеем водный раствор моющих средств. Выбор добавок определяется изотопным составом жидких радиоактивных сточных вод. Масса добавок не превышает 2% от количества вводимых моющих веществ.

Рис. 6. ? Схема переработки ЖРО спецпрачечной

Принципиальная технологическая схема переработки жидких радиоактивных сточных вод спецпрачечной на АЭС представлена на рис. 6. Два потока отходов - вода стирки и вода полоскания - проходят свои технологические цепочки, на отверждение поступают только концентрат ультрафильтрации воды стирки и кубовый остаток после упаривания концентрата обратного осмоса воды полоскания.

Глава 4. Комплексные мембранные технологии для очистки

сточных вод машиностроительных предприятий

Анализ экологической ситуации последних лет в Российской Федерации свидетельствует о том, что загрязнение окружающей природной среды остается недопустимо высоким. Количество сбрасываемых в окружающую среду сточных вод практически не уменьшается. Это приводит к безвозвратной потере ценных компонентов (кислот, солей и металлов и др.), нерациональному использованию сырьевых и энергетических ресурсов.

Сточные воды предприятий машиностроительного профиля относятся к группе наиболее загрязненных производственных стоков, содержат широкий спектр ингредиентов различного класса.

Для очистки сточных вод предприятий машиностроительного профиля используются различные технологии, в том числе мембранные с применением комплексных установок, состоящих из блоков модульного типа. Эти блоки могут функционировать как в едином цикле очистных сооружений, так и в качестве локальных систем очистки отдельных потоков.

1. Блок очистки промывных вод гальванического производства с использованием микро-, ультрафильтрационный модуль применяется для очистки от взвешенных веществ, коллоидных частиц, железа, высокомолекулярной органики, эмульгированных нефтепродуктов и масел, разделения тонких суспензий и т.п.; с использованием модуля обратноосмотического обессоливания - для глубокой деминерализации и концентрирования с дальнейшей переработкой и доочисткой образующегося концентрата традиционными методами.

Для концентрирования солей тяжелых металлов (хрома, никеля, цинка, меди и т.д.) из промывных вод (например, гальванического производства) применяют новые марки труднозагрязняемых композитных мембран и элементов на их основе с повышенной производительностью и селективностью по ионам тяжелых металлов. Степень очистки на этой стадии составляет не менее 99,5%.

Дополнительные ступени очистки:

· блок-модуль реагентной обработки для переработки концентрата стадии обратного осмоса, перевода ионов тяжелых металлов в нетоксичную гидроокисную форму;

· модуль испарительный на базе выпарного аппарата или более эффективного прямоточного роторно-пленочного испарителя для обезвоживания концентрата и сушки солей с целью получения их в виде сухого продукта;

· модуль фильтрации, сорбции или ионного обмена - финишная доочистка при необходимости, от тонко - дисперсных взвесей, низкомолекулярной органики, солей.

Использование перечисленных модулей позволит обеспечить замкнутый водооборот, выделить тяжелые металлы в виде цветного лома и получить сухой остаток солей с содержанием тяжелых металлов ниже ПДК.

2. Блок регенерации отработанных обезжиривающих растворов с использованием трубчатых ультрафильтров с фторопластовыми или полисульфоновыми мембранами. Применение ультрафильтрационных установок позволяет использовать фильтрат для приготовления свежих моющих и обезжиривающих растворов и экономить от 35 до 90% реагентов.

3. Двухступенчатые ультрафильтрационные установки для тонкой очистки отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ)

Для тонкой очистки ультрафильтрата от нефтепродуктов (до 0,5 мг/л) установка дополнена второй ступенью - адсорбцией на активированных углях или сорбцией на новых полимерных сорбентах «Уремикс-913». Полученный масляный концентрат можно использовать для смазки форм при изготовлении железобетонных изделий. Весьма перспективным с точки зрения экологической безопасности является применение синтетических безмасляных СОЖ, поскольку ультрафильтрат в этом случае может быть повторно использован для приготовления свежей СОЖ.

4. Блок электромембранной регенерации кислот (серной, соляной, плавиковой, фосфорной, азотной и т.д.) из отработанных травильных растворов.

Принцип его действия основан на использовании новых эффективных технологий электромембранного концентрирования на базе электродиализаторов с использованием ионоселективных мембран, стойких в агрессивных средах. Степень извлечения кислот составляет не менее 70-90%, степень очистки от тяжелых металлов - до 95%.

5. Блок регенерации отработанного электролита хромирования и очистка его от высокомолекулярной органики, коллоидных частиц, тяжелых металлов сочетает предочистку на ультрафильтрационном модуле плоско - параллельного типа и электромембранную регенерацию электролита в электродиализаторе с анионообменными мембранами (из фторсодержащего полимера), стойкими в агрессивных кислых средах. Обеспечивает полный рецикл по электролиту хромирования. Очистка от коллоидных частиц - 99%, тяжелых металлов - до 98%, СПАВ ? 60%.

Таким образом, использование комплексных установок блочно-модульного типа на основе мембранных и гибридных технологий обеспечивает:

· создание экологически безопасных производств, полностью исключив слив сточных вод в канализацию, на рельеф местности, в водоемы рыбохозяйственного назначения;

· организацию замкнутого водооборота на предприятиях при степени использования воды не менее 95%;

· возврат в производственный цикл 70-90% ценных продуктов в виде регенерированных технологических сред, значительно снижая тем самым, техногенную нагрузку на окружающую среду;

· существенное уменьшение объемов утилизируемых твердых отходов;

· снижение на 10-20% эксплуатационных затрат за счет экономии электроэнергии, сырья и материалов, трудозатрат ввиду создания высокотехнологичных ресурсосберегающих процессов.

Актуальность технологий с применением мембранных биореакторов (МБР) определяется необходимостью совершенствования технологии биологической очистки сточных вод в условиях изменения их исходного состава, повышения требований к качеству очищенных стоков и увеличения ответственности за нарушение установленных норм сброса сточных вод в водоемы.

В отличие от традиционного процесса биологической обработки сточных вод, при котором используется вторичный отстойник, в технологии МБР активный ил отделяется от очищенной воды с помощью мембраны.

Основной функцией мембраны является отделение биомассы (взвешенных частиц) от сточных вод. В основании модуля располагается аэрационный блок. Циркуляционный ток активного ила в емкости и внутри мембранного модуля создается путем аэрации воздухом. Тангенциальный ток на мембране препятствует ее забиванию и обеспечивает продолжительный фильтр-цикл. Очищенная вода поступает в область разряжения и выводится из модуля по пермеатоотводящим трубкам.

На очистных сооружениях производства ГК «ЭКОЛОС» используются половолоконные мембраны, функциональный слой которых - из поливинилденфторида, и полиэфир - нетканая основа для нанесения селективного слоя мембраны. Использование таких химических и механически стойких высокомолекулярных соединений позволяет производить мембраны самого высокого качества.

Рис. 7. ? Мембранный модуль

Мембрана характеризуется маленьким размером пор, высокой пористостью и узким распределением пор по размерам. Благодаря такой морфологии мембраны обеспечивается высокая удельная производительность мембраны и хорошее качество пермеата (очищенной воды), а сама мембрана является высокоустойчивой к забиванию и обрастанию.

Полые волокна имеют поверхность с миллиардами микроскопических пор (размером 1/1000 диаметра человеческого волоса). Поры, как физический барьер, препятствуют проникновению примесей, одновременно пропуская молекулы воды.

Принципиальная схема биологической очистки сточных вод МБР

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

1. Аэротенк

2. Мембраннный резервуар

3. Мембранная кассета

4. Бак обратной промывки

5. Денитрификатор

При использовании технологии МБР концентрация активного ила в сооружениях может достигать 10-20 г/л (против 2-3 г/л в обычном аэротенке). Благодаря этому происходит интенсивная автоселекция и адаптация активного ила, увеличивается возраст активного ила до 45 дней, а также возрастает концентрация хемоавтотрофных микроорганизмов (биомассы). Вследствие этого процесс нитрификации происходит более глубоко, чем при использовании традиционных вариантов очистки с использованием схемы «Аэротенк ? Вторичный отстойник».

Высокое качество очищенной воды подтверждено экспериментами, проведенными специалистами ГК «ЭКОЛОС» и мировой практикой использования подобных систем. Эти эксперименты показали, что концентрации всех загрязнений в сточной воде в сооружениях с МБР гораздо ниже, чем после традиционных сооружений, работающих по схеме «Аэротенк ? Вторичный отстойник» (см. Таблицу 2).

Таблица 2. ? Качество очистки в схеме с мембранными биореакторами

Наименование	Единицы измерения	Эффект очистки, %	Качество очищ. воды
Взвешенные вещества	мг/л	>99	<1
ХПК	мг/л	80 - 98	< 50
БПК5	мг/л	>97	<3
N-NH4	мг/л	80 - 90	<1
Общий азот	мг/л	36 - 80	<10
Общий фосфор	мг/л	62 - 90	0,2* - 1
Нефтепродукты	мг/л	>96	0,05 - 1
Общие колиформные бактерии	КОЕ/100 мл	>99,9	<100
Фекальные колиформные бактерии	КОЕ/100 мл	-	<20
Колифаги	КОЕ/100 мл	-	отсутствие

КОМПАКТНОСТЬ СООРУЖЕНИЙ

При строительстве очистных сооружений с применением МБР для осуществления всех процессов очистки не требуется большого количества отдельных блоков, модулей, необходимых для прохождения того или иного этапа очистки так, как это принято при строительстве сооружений по традиционной схеме с вторичным отстойником. В результате- налицо значительная экономия площади (на 20-60%) под строительство комплекса очистных сооружений, что достаточно актуально для многих регионов РФ, за счет отсутствия вторичных отстойников, блоков доочистки и фильтрации.

ЭКОНОМИЧНОСТЬ ВО ВРЕМЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Во-первых, количество избыточного активного ила в системах с МБР на 20...50% меньше по сравнению с классической технологией, что существенно понижает затраты на его утилизацию.

Во-вторых, работа системы полностью автоматизирована, компьютеризирована, и не требует постоянного присутствия персонала (что особенно актуально для комплексов очистных сооружений производительностью от 500 м3/сут. и выше).

В-третьих, при эксплуатации сооружений с МБР происходит снижение энергозатрат за счет того, что в их составе применяется гораздо меньше технологического автоматического оборудования (насосов, воздуходувных механизмов), за счет чего значительно снижается количество потребляемой электроэнергии.

ШИРОКАЯ СФЕРА ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ С МБР

Системы очистки с использованием МБР применяются в сооружениях очистки смешанных или промышленных сточных вод. Позволяет получить возможность производить модернизацию существующих очистных сооружений с организацией эффективного технологического процесса очистки без дополнительных капитальных вложений в строительство (монтаж мембранных модулей непосредственно в аэротенке).

СТОИМОСТЬ СООРУЖЕНИЙ С МБР

Стоимость сооружений с применением МБР, включая затраты на монтаж, сопоставима со стоимостью традиционных очистных сооружений. И это также одна из причин того, почему технологии очистки с МБР завоевывают все большую популярность не только в мире, но и в России. Специалисты ГК «ЭКОЛОС» предоставляют расчет стоимость сооружений «ЛОС-МБР» при получении всех необходимых данных (их перечень предоставляется при оформлении запроса на расчет у сотрудников отделов продаж ГК «ЭКОЛОС»).

Погружные мембранные системы

Погружные (безнапорные) ультра- и микрофильтрационные системы - современные высокоэффективные решения для водоснабжения и водоотведения.

Мембранные процессы разделения являются самыми современными и высокоэффективными способами очистки воды. Применение мембранной технологии позволяет не только решать различные технологические задачи, но и предотвращать экологические проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды.

Промышленное применение баромембранных процессов в сферах водоснабжения и водоотведения началось более 50-ти лет назад (обратный осмос для опреснения природных и сточных вод). Ультра- и микрофильтрация также являются баромембранными процессами, с тонкостью фильтрации 0,005 ч 0,05 и 0,05 ч 10 мкм (10^-6 м), со ответственно. Таким образом, ультра- и микрофильтрационные мембраны высокоселективно задерживают взвешенные вещества, коллоиды, бактерии и вирусы. Широкое внедрение безнапорных ультра- и микрофильтрационных систем началось 15 лет назад. В настоящее время в мире (в сферах водоснабжения и водоотведения) работает несколько тысяч высокопроизводительных погружных мембранных систем.

Погружные мембранные системы: принцип работы и сферы применения.

В погружных мембранных элементах реализуется режим безнапорной фильтрации. При этом перепад давлений, необходимый для фильтрации воды через мембрану, складывается из гидростатического давления очищаемой воды и величины разрежения, создаваемого насосом, откачивающим фильтрат (насосное оборудование используется только для перекачивания очищенной воды, что делает процесс наименее энергоемким).

Наибольшее распространение в высокопроизводительных системах очистки воды получили половолоконные мембранные элементы, обладающие: высокой плотностью упаковки мембран, низкой материалоемкостью, высокой удельной производительностью и минимальной стоимостью.

Очищаемая вода контактирует с наружной поверхностью полых волокон, что предотвращает необратимое загрязнение мембран, увеличивает срок их службы и снижает требования к качеству воды, подаваемой на стадию мембранной доочистки.

К достоинствам погружных ультра- и микрофильтрационных систем можно отнести:

· низкие энергозатраты;

· компактность оборудования;

· большой срок службы мембран;

· возможность очистки воды с высоким содержанием взвешенных веществ и коллоидов.

Основные сферы применения погружных мембранных систем:

1. водоснабжение:

· промышленное водоснабжение (включая оборотное водоснабжение и водоподготовку),

· хозяйственно-бытовое водоснабжение - очистка воды из поверхностных источников, очистка воды из артезианских источников,

2. водоотведение:

· промышленное,

· хозяйственно-бытовое.

При реконструкции существующих объектов водопроводно-канализационного хозяйства промышленных предприятий и населенных пунктов, внедрение погружных мембранных систем позволяет многократно увеличить их производительность и эффективность без проведения строительно-монтажных работ.



Рис. 8.

Очистка промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод с использованием технологии мембранного биореактора (МБР)

Традиционная схема очистки хозяйственно-бытовых сточных вод включает в себя следующие стадии:

· механическая очистка;

· усреднение стока;

· биологическая очистка;

· вторичное отстаивание;

· доочистка на фильтрах;

· обеззараживание очищенного стока;

· стабилизация и обезвоживание избыточного ила.

Мембранный биореактор - это комбинированный процесс, объединяющий биологическую очистку и мембранную фильтрацию (доочистку). Технологическая схема очистки хозяйственно-бытовых сточных вод с использованием технологии МБР, как правило, включает в себя следующие стадии:

· механическая очистка;

· усреднение стока;

· биологическая очистка с мембранной доочисткой;

· стабилизация и обезвоживание избыточного ила.



Рис. 9.

Внедрение технологии МБР позволяет существенно усовершенствовать традиционную схему очистки сточных вод за счёт:

· высокой эффективности удаления загрязнений (взвешенных веществ, коллоидов, бактерий и вирусов);

· повышения надежности работы очистных сооружений (исключение возможности выноса биомассы из очистных сооружений);

· увеличения концентрации активного ила в аэротенке, и, следовательно, эффективности биологической очистки;

· снижения объема избыточного активного ила и увеличение его водоотдающих свойств;

· компактности очистных сооружений - мембранная доочистка заменяет следующие стадии очистки: вторичное отстаивание, доочистка на фильтрах, обеззараживание.

В настоящее время разработан комплекс типовых решений по применению безнапорных ультра- и микрофильтрационных систем для водоснабжения и водоотведения - как в качестве финальных стадий очистки, так и в качестве стадий предподготовки для нанофильтрации и обратного осмоса. Предлагаемые решения всесторонне исследованы ведущими научными центрами (в рамках государственных контрактов и инвестиционных проектов), апробированы, внедрены и успешно эксплуатируются на ряде объектов водопроводно-канализационного хозяйства.

Объем выполняемых работ:

· оказание технических и технологических консультаций;

· выполнение научно-исследовательских и изыскательских работ;

· разработка технологических регламентов;

· разработка проектно-сметной документации и техническая помощь в согласовании в контролирующих органах;

· изготовление и поставка водоочистного оборудования;

· технологическое сопровождение строительно-монтажных и пуско-наладочных работ;

· обучение персонала и сервисное обслуживание.

В случае реконструкции существующих объектов водопроводно-канализационного хозяйства промышленных предприятий и населенных пунктов возможно проведение технологического аудита.

В настоящее время разработанные технологические решения реализованы на нескольких десятках объектов малого канализирования в Московской области.

В течение 2008 года планируется завершение строительства/реконструкции и запуск в эксплуатацию ряда относительно крупных объектов канализирования, например:

· очистные сооружения хозяйственно-бытовых сточных вод производительностью первой очереди 1500 м3/сутки - с.Ямкино Ногинского района Московской области,

Рис. 10.

· очистные сооружения производственных сточных вод производительностью до 12 000 м3/сутки - ОАО "Славнефть-ЯНПЗ им. Менделеева (Русойл) в п. Константиновский Тутаевского района Яровславской области.

Глава 5. Перспективы внедрения мембранной технологии на

московских очистных сооружениях

очистка сточный вода мембранный биореактор

Преимущества технологии с использованием мембранных биореакторов: значительное снижение объемов сооружений и занимаемой ими площади за счет высокой концентрации активного ила; возможность более высокой нагрузки на единицу объема, а также значительное снижение количества избыточного активного ила. MBR-технологии представляют собой одну из перспектив развития очистных сооружений в условиях ограниченности территорий.

Внедрение технологий удаления азота и фосфора из городских сточных вод приводит к необходимости увеличения объемов биореакторов (на 20-30%) и вторичных отстойников (на 15-20%) по сравнению с традиционными технологиями очистки воды в аэротенках. В условиях высокой стоимости городских земельных площадей требуется поиск высокоэффективных технологий, позволяющих обеспечивать глубокую очистку сточных вод без увеличения объемов сооружений, а также надежность их работы. Мембранные биологические реакторы (MBR-реакторы) получили признание в мире, поскольку позволяют достигать стабильно высокое качество очистки, в том числе и от биогенных элементов, с одновременным сокращением объемов существующих сооружений биологической очистки. Мировой опыт эксплуатации MBR-реакторов в промышленных масштабах в течение длительного времени (на ряде очистных сооружений - более 10 лет без замены мембран) показывает высокую надежность как оборудования, так и самой технологии.

Широкомасштабное использование MBR-реакторов стало доступно лишь в последние 10-15 лет. Основанная на мембранной фильтрации технология сегодня успешно применяется, прежде всего, на относительно небольших сооружениях. Высокие капитальные и эксплуатационные затраты, а также недостаточный опыт эксплуатации MBR-реакторов при очистке сточной воды ограничивают распространение этой технологии. Вместе с тем, с появлением менее дорогих и более эффективных MBR-модулей и введением более жестких требований к качеству очищенной воды в развитых странах интерес к MBR-технологии существенно повысился.

С середины 1990-х годов благодаря совершенствованию конструкций более дешевых мембран MBR-реакторы превратились в реальную альтернативу традиционной технологии на полномасштабных очистных сооружениях высокой производительности. В Европе такие сооружения для очистки муниципальных сточных вод были введены в эксплуатацию в Великобритании, в г. Порлоке (3800 условных жителей) в 1998 г., в 1999 г. на очистных сооружениях в Германии, в городах Bьchel и Rцdingen (соответственно 1000 и 3000 условных жителей) и во Франции, в г. Perthes-en-Gвtinais (4500 условных жителей). Уже через 5 лет были введены в эксплуатацию сооружения в г. Карсте (Германия), рассчитанные на 80 тыс. условных жителей. Не менее активно развитие MBR-реакторов происходило в США, Японии и других странах. В настоящее время в стадии строительства находятся очистные сооружения Brightwater, расположенные в штате Вашингтон, США. В 2011 г. производительность сооружений при максимальных нагрузках будет составлять 495 тыс. м³/сут, а к 2040 г. - до 645 тыс. м³/сут. MBR-реакторы производятся и поставляются многими крупными фирмами: «Zenon Environmental» (ныне «GE Water & Process Technologies», США), «Kubota» (Япония), «Mitsubishi Rayon Engineering», «Norit X-Flow» (Нидерланды), «Huber Technology» (Германия), «Koch Membrane System» (США), «Memcor» (часть группы Siemens), «Orelis Mitsui» (Япония), «Wehrle Werk», «Berghof» (Германия) и другими.

Методы. Для оценки эффективности применения мембранной технологии по удалению биогенных элементов на Московских очистных сооружениях были проведены полупромышленные испытания на пилотной установке, расположенной на Курьяновских очистных сооружениях (рис. 11, 12).

Рис. 11. ? Внешний вид пилотной установки удаления биогенных

элементов

Рис. 12. ? Пилотная установка удаления биогенных элементов:

а - первый этаж, в центре виден вторичный отстойник с коническим

дном; б - второй этаж, унифицированные биореакторы

Пилотная установка производительностью до 5 м³/сут расположена в двухэтажном контейнере. Гидравлическая схема установки представляет собой последовательность четырнадцати биореакторов унифицированного типа. Каждый из реакторов является идеальным смесителем и может работать с перемешиванием собственной регулируемой мешалкой или аэрацией воздухом в зависимости от технологической задачи. Унификация биореакторов установки обеспечивает их полную взаимозаменяемость, возможность организации жидкостных потоков по различным вариантам конфигурации процесса, удобство отбора проб воды и профилактического осмотра. Имеется возможность изменять гидродинамический режим работы отдельных технологических зон путем подбора числа реакторов идеального смешения [1]. Биореакторы объемом 100 л каждый изготовлены из нержавеющей стали.

Объем вторичного отстойника составляет 340 л. В начале анаэробной и аноксидной зон установлены специальные устройства - селекторы объемом по 70 л каждый. Селекторы представляют собой реакторы-вытеснители, устанавливаемые перед основными технологическими зонами. Их работа основана на теории кинетической селекции [2; 3]. При высокой концентрации субстрата нитчатые микроорганизмы имеют более низкие скорости роста, чем организмы, образующие флоккулы. В селекторах создаются условия, способствующие преимущественному развитию флоккулообразующих микроорганизмов и вытеснению нитчатых форм из биоценоза, что в свою очередь позволяет снизить иловый индекс.

На пилотную установку в непрерывном режиме насосом подавалась сточная вода, прошедшая механическую очистку. Исследования проводили в два этапа. На первом, контрольном, этапе испытаний установка моделировала работу сооружений биологической очистки в традиционной конфигурации, когда для илоотделения использовался гравитационный отстойник (рис. 13). Детализированная схема пилотной установки приведена на рис. 14.

Рис. 13. ? Технологическая схема пилотной установки с

гравитационным илоотделением



Рис. 14. ? Детализированная технологическая схема пилотной

установки с гравитационным или мембранным илоотделением:

1 - резервуар-усреднитель; 2 - селектор; 3 - мешалка селектора;

4-6 - биореакторы; 7 - мембранный модуль; 8 - вторичный отстойник;

М1-М8 - магнитные мешалки; Н - насос; НП - насос пермеата; точки

отбора

На втором этапе исследований изучалась работа установки с использованием мембранного модуля марки МСВ-3 (Membrane Clear Box^Т) фирмы «Huber AG» (Германия). Мембранный модуль вмонтирован во вторичный отстойник (рис. 15). В модуле реализована так называемая VUM^Т-технология - вакуумная фильтрация на вертикальных плоских мембранах. Мембраны Huber VUM^® являются гидрофильными, обладают высокой смачиваемостью и низким сродством к компонентам сточной воды, вызывающим засорение пор. Размер пор в мембранах составляет 38 нм. Процесс фильтрации ведется при низком трансмембранном давлении - от 0,1 до 0,2 бар. Для предотвращения засорения пакет мембран постоянно продувается воздухом. В системе отсутствуют периодические промывки обратным током жидкости. Отвод очищенной воды осуществляется вакуумным насосом. Электронные системы обеспечивают как микроконтроллерное управление, так и ручное управление отдельными агрегатами. В установке предусмотрена система сигнализации о режимах эксплуатации (трансмембранном давлении и расходе воды), поломках, времени работы.



Рис. 15. ? Мембранный модуль МСВ-3 фирмы «Huber AG»:

а - с кронштейнами для крепления в резервуаре;

б - монтаж модуля во вторичном отстойнике пилотной установки

Первые 140 суток установка работала без мембранного модуля. На пилотной установке в ходе первого, контрольного, этапа эксперимента поддерживали следующий технологический режим:

- расход сточной воды 140-150 л/ч;

- доза иловой смеси 2-2,5 г/л;

- общий возраст активного ила 14-20 суток;

- аэробный возраст активного ила 7-8 суток;

- концентрация растворенного кислорода в аэробных реакторах 1,5-2,2 мг/л;

- время пребывания в аэробной зоне 2,5 ч, в анаэробной и аноксидной зонах - по 2,3 ч.

Средние показатели очищенной сточной воды составили, мг/л:

- взвешенные вещества - 8,5;

- N-NH₄ - 0,38;

- N-NО₂ - 0,035;

- N-NО₃ - 8,7;

- Р-РО₄ - 0,3 (табл. 1).

Как видно из рис. 16 (левая часть), в некоторые периоды эксплуатации наблюдалось превышение показателей очищенной воды по аммонийному азоту и азоту нитритов. Нестабильность процесса нитрификации была связана с залповыми поступлениями промышленных сточных вод на КОС, что фиксировалось по резкому увеличению ХПК в осветленной воде. Дополнительным подтверждением такого явления было то, что в аэротенках старого блока КОС, очищающих ту же воду, что и пилотная установка, одновременно наблюдалось снижение качества очищенной воды по азоту. Удаление фосфатов в контрольном режиме протекало стабильно, содержание Р-РО₄ в очищенной воде не превышало 0,4 мг/л.