ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ РЕАГЕНТНО-МЕМБРАННОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ФИЛЬТРАТОВ ПОЛИГОНОВ ХРАНЕНИЯ ТБО Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 69.05

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ РЕАГЕНТНО-МЕМБРАННОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ФИЛЬТРАТОВ ПОЛИГОНОВ ХРАНЕНИЯ ТБО

Е.В. Бондарчук*, А.А. Коныгин*, А.Г. Первов**, А.Ф. Селиверстов***, Л.С. Скворцов*, А.В. Шептунов* *«НПО «Квантовые Технологии»

"Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, г. Москва

***Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН (ФГБУН ИФХЭ РАН)

03

г

м О

Аннотация.

Описана технология обезвреживания фильтратов полигонов хранения твердых бытовых отходов. Показано, что фильтраты полигонов хранения твердых коммунальных отходов (ТКО) содержат в высоких концентрациях органические продукты разложения отходов, а также соли аммония. Для того чтобы очистить фильтраты полигонов от органических и неорганических загрязнений до значений, соответствующих современным нормативным требованиям сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения, требуется обработка методом обратного осмоса в две или в три ступени.

Ключевые слова.

Фильтрат полигонов хранения твердых бытовых отходов; ре-агентное осаждение; гуминовые вещества; обратный осмос; на-нофильтрация; селективность мембран; увеличение выхода фильтрата История статьи: Дата поступления в редакцию 25.07.21

СО

Дата принятия к печати 26.07.21 Вследствие высоких значений ХПК и величины общего солесодержания фильтрата полигона, производительность современных обратноосмотических мембран имеет очень низкое значение, что требует применения большого количества мембранных аппаратов и высоких значений рабочего давления. При этом образуется большое количество раствора концентрата, содержащего все задержанные мембранами загрязнения, которые необходимо утилизировать. С целью снижения затрат на электроэнергию и на мембранные аппараты авторами статьи исследована возможность сокращения эксплуатационных затрат на очистку и утилизации концентратов за счет применения реагентного осаждения органических веществ и применения нанофильтрационных мембран на первой ступени мембранной очистки. Применение нано фильтрационных мембран позволяет сократить расход концентрата до величины, не превышающей 1-2 % от расхода исходного фильтрата. Для утилизации концентрата установки обратного осмоса разработана технология, позволяющая разделить концентрат на два потока: поток с высоким содержанием органических веществ и поток с высоким содержанием солей натрия и аммония. Проведены эксперименты, позволяющие определить концентрации растворенных загрязнений после реагентного осаждения и после обработки с применением мембран на каждой ступени. Получены данные по снижению производительности нанофильтраци-онных и обратноосмотических мембран в зависимости от сокращения расхода концентрата. Разработана балансовая схема процесса обработки фильтрата ТКО с применением установки обратного осмоса.

I

ш

и

е <

со оа ? 1

шЁ

* о

< и

У ^

1°

Ш Ш

. со

1. Введение. Описание технологической схемы.

Исследования, проведенные в ИФХЭ им. А.Н. Фрумкина РАН показывают, что до 80% вклада в ХПК фильтрата дают гуминоподобные вещества, образовавшиеся в результате биохимических превращений органических веществ в теле полигона ТКО. По своим химическим свойствам они аналогичны гумино-вым кислотам, т.е. дают нерастворимые соли с тяжелыми металлами (свинец, кадмий, цинк и др.) и d-элементами (железо, кобальт, никель и др.).

Для понимания процесса обезвреживания свалочного фильтрата обратимся к технологической схеме, показанной на рис. 1.

Рис. 1. Разработанная реагентно-мембранная технологическая схема очистки фильтратов полигонов ТБО: 1 - КНС; 2 - усреднитель; 3 - емкость; 4 - емкость для кислоты; 5, 6 - емкости для реагентов; 7 - реактор; 8 - отстойник; 9 - промежуточная емкость; 10 - контактный осветлитель; 11 - накопитель; 12 - микрофильтр; 13,17,20,23 - бак-гидроаккумулятор; 14, 18, 21, 24 - насосы; 15 - нанофильтрационная установка; 16 - сборник концентрата; 19, 22, 25 - обратноосмотические установки; 26 - установка обеззараживания; 27 - установка обезвоживания осадка.

Фильтрат по дренажной системе сбора с карт полигона ТБО направляется из канализационной насосной станции (1), через усреднитель (2) установки, в емкость (3) для обработки фильтрата кислотой, где осуществляется нейтрализация фильтрата до рН=7.

Значительная часть гуминовых кислот имеет высокую молекулярную массу и поэтому легко удаляется коагуляцией с гидроокисями металлов, образующимися в результате гидролиза их солей, в реактор (7) для обработки фильтрата.

Нейтрализуется главным образом гидрокарбонат натрия. При этом, получившееся значение рН фильтрата должно быть таким, чтобы после добавления хлорида железа и его гидролиза до кислоты при коагуляции:

3Н20 + РеСк ^ Fe(OH)3l + 3НС1 (1)

конечное значение рН в емкости для обр аботки (фильтрата коагулянтом была бы в пределах 5,7-6,0.

В предлагаемой технологии используются все выше описанные свойства. Снижением рН до 5,7-6,0 получается оптимальное значение рН для осаждения гуминовых веществ. Хлорид железа, используемый в качестве коагулянта, помимо коагуляционной эффективности создаёт условия, при которых соли тяжёлых металлов переходят в нерастворимую форму в соединении с гуматами:

(НиМ)х(ОНСОО№)у + yFeCl3 ^ (HUM)x(OCOOFe)yl+ 2у^С1 (2)

Использование данной технологии позволяет до 10 раз и более снизить ХПК очищаемого фильтрата.

Используя в качестве коагулянта хлорид железа, последний гидролизуется в реакции (1) с образованием гидроокиси железа, которая нейтрализует заряд коллоидного гумата и осаждает его. Кроме того, происходит прямое взаимодействие соли железа с карбоксильными группами гумата по формуле (2).

Известно, что гуматы обладают протекторными свойствами (способностью связывать в прочные комплексы ионы металлов [1, 2]), в результате чего значительно снижается их миграционная активность [3, 6] и токсичность [4, 5].

Выбор железа в качестве осадителя определялся наличием фульвокислот. В монографии В.Д Бабенкова [1] отмечалось, что очистка природных окрашеных вод (окраска определяется насыщением воды гуматами и фульвокислотами) коагуляцией лучше всего происходит при применении ¥г+3 и рН 5,7-6,0. Что и подтвердилось, в том числе, и в наших экспериментах.

Гуматы тяжелых металлов осаждаются вместе с гидроокисью железа. При этом все свободные гуминовые кислоты будут связаны в прочный комплекс с нерастворимым в воде железом.

Поскольку ни ионы металлов, ни их комплексы не могут перейти в водную фазу, полученный в результате коагуляции осадок будет малотоксичным.

Необходимо учесть, что при нейтрализации фильтрата в реакторе будет происходить пеноо-бразование, вызванное выделением углекислоты при нейтрализации гидрокарбоната натрия.

№НС03 + НС1 ^ +Н20 + С02Т (3)

Пена поступает в систему пеногашения, откуда получившийся осадок направляется на утилизацию в резервуар-накопитель осадка (24).

Для обеспечения непрерывной работы технологического потока устанавливаются параллельно два аппарата, в одном из которых происходит корректировка рН и удаление пены, а из второго прошедший эту операцию фильтрат подается в емкость для проведения коагуляции.

Для проведения эффективной коагуляции необходимо быстрое и равномерное смешение фильтрата с реагентом. Поэтому подача коагулянта осуществляется либо через трубку Вентури, встроенную в систему подачи фильтрата, либо в отдельной емкости с высокоскоростной мешалкой.

После того как коагулянт смешается с потоком фильтрата и произойдет гидролиз, в поток через трубку Вентури подается флокулянт (анионный или катионный). Флокулянт ускоряет процесс образования крупных флоккул и их осаждение. Точка ввода в коммуникацию флокулянта зависит от состава раствора и температуры и обычно определяется экспериментально.

После окончания процесса коагуляции (10 - 15 мин) отделившаяся часть осадка откачивается в резервуар — накопитель осадка (24).

Осветленный фильтрат из реактора (7) подается на «тонкослойный отстойник» (8), из которого осадок также поступает в накопитель осадка.

После обезвоживания в шнековой установке (25), осадок с влажностью 70-80% утилизируется. Образовавшийся осадок представляет собой продукт 4-го класса опасности и может использоваться в качестве компонента изолирующего слоя на полигоне, либо подмешиваться к почвогрунту при рекультивации полигона.

03

г

м О

-I

м

Э СО

I

ш

и

е <

(О со ?1

ШЁ

* о

< и

У ^

1°

Ш Ш

. со

Освобожденная от взвеси жидкость направляется в тонкослойный отстойник (8) для дальнейшего повторного использования в процессе очистки.

Из накопителя (9) через контактный осветлитель (10) фильтрат подается в накопитель (11).

Для доочистки фильтрата ТБО разработана каскадная мембранная технология производительностью 5 м3 в час. Установка имеет универсальное назначение и включает необходимое количество узлов, позволяющее осуществлять доочистку фильтрата ТБО после применения реагентного осаждения.

На мембранную установку поступает фильтрат, прошедший дополнительную очистку от мелких взвесей, для чего используется микрофильтр (12).

Разработанная каскадная мембранная технология позволяет очистку фильтрата ТБО осуществлять в три или четыре ступени в зависимости от величины общего солесодержания, ХПК и концентрации аммония.

Весь процесс глубоко проработан экспериментально: на основе проведенных экспериментов определены типы мембран на каждой ступени, количество ступеней, минимальная достигаемая величина расхода концентрата.

Наиболее «проблемным» загрязнением является ион аммония, концентрация которого в очищенной воде должна отвечать требованиям сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения 0,2 мг/л. При обработке воды с применением современных низконапорных мембран обратного осмоса, снижение одновалентных ионов (натрия, аммония, хлорид-ионов) происходит в 100 раз.

Таким образом, чтобы получить требуемый уровень снижения аммония, нужно применить каскад, состоящий как минимум из трех ступеней, где пермеат первой ступени проходит обработку на второй ступени, пермеат второй ступени обрабатывается на третьей ступени и т.д. На каждой ступени величина «выхода фильтрата» (отношение расхода пермеата к общему расходу подаваемой в аппараты воды) имеет значение равное 0,9.

Предлагаемая схема уменьшения конечной величины концентрата состоит в том, что концентрат направляется в обратную сторону по отношению к пермеату. Соответственно, концентрат следующей ступени направляется на вход в предыдущую ступень, и так доходит до первой ступени, откуда существенно сконцентрированные загрязнители направляются для смешения с осадком в накопитель осадка (24)

Проблему при очистке фильтрата ТКО представляет тот факт, что фильтраты ТКО имеет высокое солесодержание и высокое значение ХПК. Поэтому достичь требуемой величины выхода фильтрата с применением мембран низкого давления для фильтратов ТКО с величиной солесодержания выше 3000 мг/л и ХПК на уровне 4000 мг/л не представляется возможным, так как при увеличении значения выхода концентрата фильтрата наблюдается резкое падение производительности мембран. Именно поэтому в известных «кайзеровских» схемах, чтобы добиться требуемой величины, используют мембраны для опреснения морской воды, работающие под давлением 6-6,5 МПа.

Цели экспериментов:

- провести эксперименты по обработке фильтрата ТКО с применением различных типов мембран и сравнить их характеристики и эффективности;

- обосновать выбор мембран для каждой ступени очистки воды и определить максимально достижимое значение величины выхода фильтрата установки;

- обосновать принципы применения нанофильтрационных мембран в схемах очистки фильтратов ТКО и при утилизации концентрата.

2. Экспериментальная программа.

Параметры разработанной технологической схемы были определены экспериментально в лабораторных условиях с применением испытательных стендов. Составы фильтрата полигона «Царево», а также составы вод на разных стадиях реагентного осаждения и мембраной очистки представлены в Таблице 1.

2.1. Эксперименты по осаждению органических загрязнений.

Эксперименты показали (приведены в таблице ниже), что прошедший химобработку фильтрат ТКО может быть сконцентрирован более чем в 50 раз, при этом производительность нанофильтра-ционных мембран падает всего в 1,5 раза при давлении 8 — 12 Бар.

Таблица 1

Технологические показатели комплексной схемы очистки фильтрата полигона ТКО

г. Александров Владимирской области

ПОКАЗАТЕЛИ Исходн. После реагентной обработки После 1-й ступ. Мембраны НФ После 2-й ступ. Мембраны БЬЫ После 3-й ступ. Мембраны БЬЫ После 4-й ступ. Мембраны БЕ

ХПК, мг/л 3987 606 120 35,6 15 2,4

рн 7,7 6,5 6,3 6,1 6,0 5,8

Кальций 190 - - - - -

Натрий, мг/л 1144 2100 950 300 50 10

Щелочность, мг/л 76,0 13,6 7,6 3,7 2,5 1,2

Аммоний, мг/л 380 202 64 5,4 3.1 0.2

Нитраты, мг/л 0.3 - - - - -

Нитриты мг/л 1.2 - - - - -

Хлориды, мг/л 980 3500 1200 400 75.0 4.0

Сульфаты, мг/л 627.0 508.0 86.0 15,2 6.8 1.2

Железо, мг/л 36.0 5.6 0.8 0,6 0.5 0.1

Взвешенные в-ва, 329.0 20.0 - - - -

БПК, мг/л 2690 391 - - - -

Общее солесодер-жание, мг/л 3580 8130 2900 780 97.1 8.3

Как показывают эксперименты, нанофильтрационные мембраны лучше задерживают органические вещества, чем одновалентные ионы. Так, селективность нанофильтрационной ступени по ХПК составляет 80%, двухвалентных ионов - 70 %, одновалентных - 55%. После первой ступени обратного осмоса пермеат первой ступени практически представляет собой смесь хлоридов и карбонатов натрия и аммония.

Поскольку на всех полигонах и свалках качество фильтрата не одинаково, необходимо будет, используя хлорид железа в качестве коагулянта, индивидуально подбирать флокулянт на основе короткого лабораторного эксперимента. В этом случае работа установки обратного осмоса станет дешевле и эффективнее в эксплуатации.

03

г

м О

-I

м

Э СО

I

ш

и

е <

(О со ?1

ШЁ

* о < и

У ^

1° Ш Ш

. со

=Е

Ш ^

Исследования, проведенные на полигоне «Икша» в Московской области [7], показывают, что до 80% вклада в ХПК фильтрата дают гуминоподобные вещества, образовавшиеся в результате биохимических превращений органических веществ в теле полигона ТКО. По своим химическим свойствам они аналогичны гуминовым кислотам, т.е. дают нерастворимые соли с тяжелыми металлами (свинец, кадмий, цинк и др.) и d-элементами (железо, кобальт, никель и др.). В результате были получены анализы, показывающие, что осадок фильтрата обладает 4-м классом опасности и может быть захоронен на полигоне.

Для подтверждения этого факта и по просьбе АО «Эколайн» нами была предпринята попытка реализовать этот процесс в небольшом масштабе на территории ИФХЭ им.А.Н.Фрумкина РАН.

Для этой цели была спроектирована и реализована пилотная установка производительностью 30 л в час в соответствии со схемой, показанной на рис. 2.

Привезенный из Александровского полигона фильтрат из приемной емкости 1а (объемом 50 л) направлялся самотёком в количестве 30 л в ёмкость 1б для обработки кислотой (30% HCl).

Рис. 2. Технологическая схема обработки фильтрата полигонов хранения твердых коммунальных отходов: 1а - приемная емкость фильтрата ТКО; 1б - емкость для обработки фильтрата кислотой (20 л); 2 - узел подачи кислоты для нейтрализации (30 % HCl); 3 - емкость для обработки фильтрата FeCl3;

емкость для обработки фильтрата флокулянтом (20 л); 4 - узел подачи реагента FeCl3 (40 %); 5 - узел подачи флокулянта; 6 - отстойник (20 л); 8 - емкость исходной воды обратного осмоса (20 л); 9 — нанофильтрационный аппарат (I ступень); 10 - емкость промежуточная (20 л); 11 - обратноосмотический аппарат (II ступень); 12 - емкость промежуточная (20 л); 13 - обратноосмотический аппарат (III ступень); 14 - емкость очищенного фильтрата (20 л); 15 - емкость сбора осадка (5 л); 16 - емкость сбора пены (5 л).

Соляная кислота поступает из емкости 2 (объемом 50 л), в емкость 1б, представляющую собой полипропиленовую бочку объемом 50 л с мешалкой. Кислота используется с целью нейтрализации раствора до получения рН=7. В эксперименте к объёму 30 л фильтрата было добавлено 100 мл раствора соляной кислоты. Время перемешивания составляло 5 минут при контроле среды рН-метром. При этом значительного пенообразования и выпадения осадка не наблюдалось.

Иллюстрация реагентной установки показано на рис. 3.

Обработанный таким образом фильтрат перемещался в ёмкость-реактор 3, снабженный скоростной мешалкой, для обработки фильтрата реагентами (рис. 2). В реактор 3 в качестве коагулянта из ёмкости 4 поступает в количестве 640 мл 40% раствор хлорида железа (БеС13). При этом наблюдается значительное вспенивание раствора (до 50% объёма раствора). Водородный показатель среды был равен рН=5,6. Через 45-60 секунд из ёмкости 5 в емкость 3 для улучшения седиментационной способности осадка в качестве флокулянта добавляется 100 мл 0,1% раствор Праестол 2510.

Для интенсификации процесса в реактор была вмонтирована мешалка с частотой вращения 60 об/мин.

Через 20-30 сек перемешивания, образовавшаяся пульпа передается в емкость 6 для отстаивания. Скорость и характер образования осадка зависит от количества подаваемого флокулянта. При подаче флокулянта 100 мл и более наблюдается флотация - гидроокись железа с гуматами и взвешенными частицами всплывает, образуя достаточно плотную массу. Время флотации 5-10 мин. При количестве флокулянта менее 100 мл происходит осаждение осадка. Время осаждения 15-40 мин. Некоторое количество осадка при этом может всплыть, но не более 5 %. В целом суммарный объем осадка влажностью 99 % составляет не более 10 %.

Образовавшаяся пена и выделенный осадок (седимент) направлялся в емкость сбора пены (16) и осадка (15), соответственно, для дальнейшего обезвоживания.

Для более тонкого осветления осветлённый фильтрат проходил через фильтр 7, заполненный кварцевым песком. Песчаный фильтр показан на рис. 4

I

ш

и

е <

со оа ? 1

шЁ

* о

< и

У ^

1°

Ш Ш

. со

Рис. 4. Фильтр, заполненный кварцевым песком.

2.2. Экспериментальное определение эффективности очистки фильтрата ТКО с применением мембран.

После этого фильтрат направлялся для очистки от растворенных загрязнений, а именно: ХПК, аммоний, солесодержание.

Для обработки осветлённого фильтрата, показанного на рис. 3, была использована разработанная авторами мембранная каскадная система (рис. 2). Основные виды мембранного оборудования, использованные в экспериментальном стенде, показаны на рис. 2 (обозначения 8-16). Объем пробы фильтрата после реагентного осаждения составлял 20 литров. Исходная проба фильтрата помещалась в бак исходной воды первой ступени 8,откуда насосом подавалась в мембранный аппарат первой ступени 9, где разделялась на очищенную воду (пермеат) и концентрат. Концентрат первой ступени возвращался в бак 8, а пермеат первой ступени собирался в баке 10 (рис. 2). Далее из бака 10 пермеат первой ступени обрабатывался на мембранном аппарате второй ступени 11. Пермеат второй ступени направлялся в бак перме-ата второй ступени 12, а концентрат второй ступени возвращался обратно в бак 10. Из бака 10 пермеат второй ступени насосом третьей ступени направляется в мембранный аппарат третьей ступени 13, где также разделялся на пермеат и концентрат. Пермеат третьей ступени направляется в бак 14, а концентрат третьей ступени возвращается в бак 12. Для определения эффективности обработки пермеата третьей ступени на дополнительной четвертой ступени пермеат из бака 14 помещался в бак 8 и цикл повторялся. Для сокращения расхода концентрата второй ступени, концентрат после обработки на аппарате 3 второй ступени помещался в бак 1 первой ступени, и обработка концентрата производилась с помощью нано-фильтрационного аппарата первой ступени. Фото установки показано на рис. 5.

В качестве рабочих насосов 1, 2, 3 и 4 ступеней использовались шестеренчатые насосы модели RO-900-220 производства компании Райфил (Москва). Расход рабочих насосов составлял 70-80 литров в час при величине рабочего давления 0,7-0,75 МПа. В экспериментах использовались мембранные элементы стандарта 1812 производства компании CSM (Корея) с нанофильтрационными мембранами типа 70 NE (модели RE 1812-100) на первой ступени, обратноосмотическими мембранами низкого давления типа BLN (аппараты модели RE 2012-100) на второй ступени, а также с высокоселективными мембранами типа BE (модели RE 2012-100) на третьей и четвертой ступенях.

По мере поступления пермеата первой ступени в бак 10 объем исходного фильтрата ТКО после реагентной обработки уменьшался, при этом значения показателей ХПК и общего солесодер-жания увеличивались, а производительность мембранного элемента по очищенной воде падала. Отношение объема исходной воды Уи к объему воды в баке в тот момент эксперимента, когда отбиралась проба, Ук, названа авторами коэффициентом концентрирования, К=У/У.

Состав фильтрата полигона «Икша», а также результаты обработки фильтрата с применением реагентов и мембран представлены в Таблице 2. На рисунке показаны результаты определений концентраций различных загрязнений в пермеатах мембран на каждой ступени обработки в зависимости от величины коэффициента снижения объема К.

Рис. 5. Фото мембранной испытательной установки. 2.3. Обсуждение результатов.

После реагентного осаждения на первой ступени фильтрат был обработан на нанофильтраци-онных мембранах. В данном случае селективность мембран по органике (ХПК) составила порядка 92 %. Результаты показаны в таблице.

Таким образом, концентрация органики в пермеате составила 194 мг/л, а концентрации аммония и других солей после нанофильтрации остаются практически на том же уровне, что и в исходном фильтрате.

03

г

м О

-I

м

Э СО

I

ш

и

е <

шов ? 1

й Я

¡3

* О

3 "

< и У ^

1° 10 Ш

. со

=Е

Ш Ц

Но удаление органики на первой ступени позволяет сократить величину осмотического давления пермеата первой ступени и облегчить его дальнейшую обработку с применением мембран обратного осмоса на второй ступени.

Расход исходного фильтрата на первой ступени нанофильтрации был сокращен в 30 раз (по измеренному расходу). Значение ХПК в концентрате составило 7477 мг/л, значение общего солесодержания составило 20000 мг/л.

На второй ступени используются обратноосмотические мембраны низкого давления. С применением таких мембран на второй ступени удалось снизить величину общего солесодержания пермеата всего в 2,5 раза, до величины 1600 мг/л.

Таблица 2

Результаты определения эффективности работы мембран на различных стадиях

очистки фильтрата ТКО

Показатели Исх. После реагент. обработки После 1 ступ., НФ После 2 ступ., мембраны BLN После 3 ступ., мембраны ВЕ конц.1 конц. 2

ХПК, мг/л 4387 605 120 15 2,4 10600 23100

рн 7,7 6,5 6,3 6,0 5,8 - -

Кальций 190 70 21.0 5.0 1.0 - -

Натрий, мг/л 1144 - - - - - -

Щелочность, мг/л 76,0 13,6 7,6 2,5 1,2 - -

Аммоний, мг/л 380 202 64 3,1 0,2 7100 12800

Нитраты, мг/л 0,3 - - - - - -

Нитриты, мг/л 1,20 - - - - - -

Хлориды, мг/л 980 660 240 75,0 4,0 24000 42000

Сульфаты, мг/л 627 508 86 6,8 1,2 5700 550

Железо, мг/л 36 5,6 0,8 0,5 0,1 - -

Взвешенные вещества, мг/л 329 20 - - - - -

БПК, мгО2/л 2690 391 - - - - -

Общее солесо-держание, мг/л 3580 1900 950 97,1 8,3 80000 80000

Кратность концентрирования на второй ступени с применением обратноосмотических мембран была доведена до трехкратного значения (К=3). Выше поднимать значение кратности концентрирования не рационально в связи с тем, что величина удельной производительности обратноосмотических мембран снизилась при этом вдвое, при этом также падает селективность мембран и растет солесодержание пермеата и содержание аммония (которое достигло значения 255 мг/л). Дальнейшее снижение расхода

концентрата второй ступени было проведено с применением нанофильтрационной мембраны, при этом концентрация солей достигла 20000 мг/л.

На третьей и четвертой ступенях с применением обратноосмотических мембран снижение величины общего солесодержания и содержания аммония производилось в 5 раз на каждой ступени. Такое невысокое снижение концентраций (низкая селективность) связано с проведением экспериментов при давлении 8 Бар.

Известно, что в условиях промышленного опыта при величине рабочего давления 16 Бар снижение концентраций аммония и других солей производится в 1000 раз, что позволит добиться требуемого значения концентрации аммония в пермеате четвертой ступени. Четвертая ступень - это повторение процесса фильтрации на третьей ступени после выхода фильтрата с третьей ступени.

Опыт показал, что объем концентрата на первой ступени был снижен в 30 раз. На второй ступени - в 10 раз (сначала с 10 л до 3 л с применением обратноосмотических мембран, и с 3 л до 1 л с применением нанофильтрационных мембран). Солесодержание в концентратах I и II ступенях достигало 20 граммов на литр.

На рис. 6. показаны экспериментально полученные зависимости концентраций органических веществ (значений ХПК), аммония и величины общего солесодержания в концентратах от значения коэффициента снижения объема К на каждой ступени мембранной установки.

Рис. 6. Зависимости значений ХПК, общего солесодержания и концентрации аммония от величины коэффициента снижения объема К в концентратах мембранной установки на каждой ступени: а) на первой ступени с использованием нанофильтрационных мембран; б) на второй ступени с использованием низконапорных обратноосмотических мембран; в) на третьей ступени с использованием высокоселективных мембран обратного осмоса среднего давления; г) на четвертой ступени с использованием высокоселективных мембран обратного осмоса среднего давления.

г

м О

м Э

00

ш

и

е <

00 со

о о ?1

и Й

< и

* и ^

1° 5 и

О а ш ш . со

СО 5

ш с;

При достаточном количестве обработанного фильтрата ТКО возможно снизить величину общего солесодержания до 50000 мг/л. В реальных условиях при величине рабочего давления 16 Бар солесодер-жание в концентрате может быть достигнуто величины 75000-80000 мг/л.

Эксперименты показали хорошие результаты, подтверждающие, что применение каскада обратно-осмотических мембран с использованием, в том числе, нанофильтрации можно добиться многократного снижения расхода концентрата. Кратность снижения концентраций аммония и других солей составила более 500 раз. На рис. 7 показаны зависимости снижения величины удельной производительности нанофиль-трационных и обратноосмотических мембран от величины общего солесодержания обрабатываемой воды. Результаты определения удельной производительности мембран используются при расчете мембранных установок и определении требуемых количеств мембранных элементов на каждой ступени [7,8].

Удельная

_I_I_I_I_I_I_

О 5 10 15 20 25 30

Общее солесодержание, г/л

Рис. 7. Зависимости удельной производительности нанофильтрационных и обратноосмотических мембран от величин общего солесодержания обрабатываемой воды и рабочего давления: 1 - нанофильтрационная мембрана, давление — 0,8 МПа; 2 - мембрана низконапорного обратного осмоса, давление — 0,8 МПа; 3 - нанофильтрационная мембрана, давление 1,4 МПа; 4 - мембрана низконапорного обратного осмоса, давление 1,4 МПа.

3. Заключение и обсуждение.

В результате обработки фильтрата полигона «Клязьма», имеющего: величину общего солесодержания 3580 мг/л; величину ХПК — 4387 мг/л; концентрацию иона аммония — 380 мг/л, получена очищенная вода (пермеат четвертой ступени) с концентрацией аммония 0,2 мг/л и величиной общего солесодержания 4,5 мг/л. Общее количество получаемого концентрата составляет 2 % от расхода исходного фильтрата ТКО, поступающего на очистку. Концентрат разделен на два потока: концентрат первой ступени, имеющий значение ХПК - 85 000 мг/л и величиной общего солесодержания 89 000 мг/л, составляющий 0,5 % расхода исходной воды. Концентрат второй ступени имеет значение ХПК - 6 500 мг/л и величину солесодержания 90 000 мг/л. Составы пермеатов первой, второй, третьей и четвертой ступеней показаны в Таблице 2. На рис. 8 показана разработанная по результатам проведенных экспериментов балансовая схема установки обратного осмоса производительностью 5 куб.м в час по очищенной воде (пермеату четвертой ступени). На схеме указаны; основные ступени мембранной обработки с указанием использован-

ных типов мембранных аппаратов; расходы пермеата и концентрата на каждой ступени; концентрации аммония (в квадратных скобках) и значения общего солесодержания (в круглых скобках) в исходной воде, поступающей в аппараты каждой ступени, а также в пермеате и концентрате каждой ступени.

Рис. 8. Балансовая схема обработки фильтрата ТКО после реагентного осаждения с применением на-нофильтрационных и обратноосмотических мембран: НФ — нанофильтрационные мембраны; ОО — обратноосмотические мембраны; I — аппараты первой ступени с нанофильтрационными мембранами для получения очищенной от органических веществ воды, поступающей на вторую ступень очистки и для сокращения расхода концентрата первой ступени; II — аппараты второй ступени с низконапорными мембранами обратного осмоса для получения очищенной воды, поступающей на третью ступень очистки и с нанофильтрационными мембранами для сокращения расхода концентрата второй ступени; III — аппараты третьей ступени с высокоселективными мембранами среднего давления; IV — аппараты четвертой ступени с высокоселективными мембранами среднего давления.

Выводы:

1. При обработке фильтратов ТКО с высокими значениями ХПК целесообразно использовать реагентное осаждение органических веществ перед дальней обработкой на установке обратного осмоса.

2. Применение нанофильтрационных мембран на первой ступени мембранной установки позволяет снизить величину эксплуатационных затрат и сократить расход концентрата.

3. Для сокращения расхода концентрата и упрощения его утилизации целесообразно получать два потока концентратов первой и второй ступени: поток с содержанием органических веществ и поток с высоким солесодержанием.

О

г

М

О

-I М

Э СО

ш

и

е <

СО СО

ОО

и ^ §

Н

* о

3 2

< и

и

о а ш ш . 00 00 5 Ш с;

ЛИТЕРАТУРА:

1. Бабенков В.Д. Очистка воды коагулянтами. — М.: Наука, 1977. 356 с.

2. Орлов Д.С. Гуминовые вещества в биосфере. — М.: Наука, 1993.237 с.

3. Варшал Г.М., Велюханова Т.К., Кощеева И.Я. Геохимическая роль гумусовых кислот в миграции элементов. В сб. «Гуминовые вещества в биосфере». М.: Наука, 1993.

4. Frimmel F.H.,Cristman R.F. Humic Substances and their Role in the Environment// John Willey&Sons, 1998.

5. Stevenson F.J. Humus Chemistry, Genesis, Composition, Reactions.//John Willey&Sons, New York, 1982, 443 p.

6. Варшал Г.М., Кощеева И.Я.,Хушвахтова С.Д. и др. Комплексообразование ртути с гумусовыми кислотами как важнейший этап цикла ртути в биосфере // Геохимия.1999, № 3.С. 269-276.

7. A.G.Pervov, T.N.Shirkova and Maria Kiryushina. Development of a new technique to treat municipal waste landfill leachates with low pressure reverse osmosis and nanofiltration membranes. ESU (Euroasia-Science), № 5(74)2020, Part 4.DOI: 0.31618/ESU.2413-9335.2020.4.74/4.

8. A.G.Pervov, T.N.Shirkova and V.Tikhonov. Design of reverse osmosis and nanofiltration membrane facilities to treat landfill leachates and increase recoveries. ISSN 2517-7516, Membranes and Membrane Technologies.2020, Vol.2, №5, pp. 206-309. Pleiades Publishing, Ltd., 2020.

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Е.В. Бондарчук1, А.А. Коныгин, А.Г. Первов, А.Ф. Селиверстов, Л.С. Скворцов, А.В. Шептунов. Экспериментальное определение параметров работы реагентно-мембранной технологической схемы обезвреживания фильтратов полигонов хранения ТБО. — Системные технологии. — 2021. — № 40. — С. 75—88.

EXPERIMENTAL EVALUATION OF TECHNICAL PARAMETERS OF REAGENT-MEMBRANE TECHNIQUES TO TREAT LANDFILL LEACHATE

E.V. Bondarchuk1, A.A. Konygin1, A.G. Pervov2, A.F. Seliverstov3, L.S. Skvortsov1, A.V. Sheptunov1

1 Scientific and Production Association «Quantum Technologies»

2 Moscow State University of Civil Engineering (MGSU)

3 The Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry RAS (IPCE RAS)

Abstract.

Landfill leachate treatment techniques using chemical deposition of organics followed by membrane treatment is presented and experimental results are demonstrated. It is discussed that landfill leachates contain high concentrations of dissolved organics that is products of organics decomposition and ammonia salts. To produce purified water that meets modern discharge regulation values, two or three membrane treatment stages may be required. But treatment of leachate that has high TDS and COD values dramatically reduces membrane flux that increases membrane replacement costs and energy consumption of membrane facilities and requires high pressure values and application of seawater membranes. Also large amounts of concentrates are produced that contain all impurities that are rejected by membranes and should be utilized. To reduce membrane operational costs, organic deposition with chemical treatment as well as the use of nanofiltration membranes on the first stage of leachate treatment was investigated.

Experiments are performed to determine concentration values of organic substances after chemical deposition and after treatment with membranes on each stage. Experimental data of membrane flux reduction with concentrate flow decrease is presented. The balance flow diagram of landfill leachate treatment using four-stage reverse osmosis facility.

Key words.

Landfill leachate; chemical deposition; humic substances; reverse osmosis; nanofiltration; membrane rejection; recovery increase. Date of receipt in edition: 25.07.21 Date o f acceptance for printing: 26.07.21