CC BY
34Использование мембранных технологий в процессах глубокой очистки городских сточных вод
Мишуков Борис Григорьевич
доктор технических наук, профессор кафедры «Водопользование и экология» Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (СПбГАСУ), el-sol@yandex.ru
Соловьева Елена Александровна
к.т.н. доцент кафедры «Водоснабжение, водоотведение и гидравлика» Петербургский Государственный Университет Путей Сообщения Императора Александра I (ПГУПС)
Мембранная фильтрация воды через тонкопористые материалы получила признание и широкое распространение благодаря высокому качеству фильтрата, из которого могут быть удалены соли, молекулы веществ, бактерии и твердые частицы коллоидно-дисперсных примесей. Для глубокой очистки городских сточных вод достаточно ограничиться задержанием крупных бактерий и более крупных частиц, образующих бактериальную биомассу (в виде активного ила или биологической пленки), непосредственно участвующих в биохимических реакциях очистки сточных вод. Мембраны в таких системах выполняют роль сепараторов, отделяющих активную биомассу от очищенной воды.. Мембранная фильтрация является частью системы очистки сточных вод, ее использование необходимо увязать с наилучшими доступными технологиями очистки сточных вод и обработки осадков.
Ключевые слова: Мембранная фильтрация воды, очистка сточных вод, глубока очистка, мембранные технологии
Для целей глубокой очистки сточных вод применяют мембраны, действующие в режиме микрофильтрации. Сочетание блока биологической очистки с модулями илоразделения и тонкой фильтрации называют биореакторами (МБР).
Мембранный биореактор является частью системы биологической очистки, его функционирование должно быть согласовано с другими элементами системы, такими как: технология глубокой очистки по азоту и фосфору; взаимосвязь элементов блока илоразделения, рециркуляции потоков ила, нитратов, избыточного ила; оптимизация технологии фильтрации и регенерации мембран по требованиям сброса очищенных сточных вод в водные объекты [1] .
Первая часть требований химико-биохимического характера предопределена следующими свойствами системы: небольшая пропускная способность , ограниченная возможностями блока фильтрации; невозможность использования многоступенчатой биологической очистки из-за малых размеров отсеков; необходимость применения химических реагентов для связывания ортофосфатов в первичных отстойниках либо в отсеках анаэробиоза; ограниченные возможности по регулированию потоков рециркуляции иловой смеси.
Вторая часть требований включает ликвидацию вредных воздействий на процессы очистки рециркуляционных потоков.
В жидкости, возвращаемой из блока фильтрации в отсек анаэробиоза, не должно быть большого количества растворенного кислорода и нитратов, для чего желательно провести гравитационное уплотнение потока с разделением его на уплотненный осадок с минимальным количеством растворенного кислорода и нитратов и на сливную воду, возвращаемую в оксидный отсек.
Избыточный активный ил, содержащий подвижный фосфор, не следует смешивать с осадком первичного отстаивания во избежание вытеснения фосфора из ила. Оксидный отсек био-
0
55 >
£
55 П П 1
и
у
а
г
*
а о
блока при повышенной дозе ила (более 5 г/л) и высокой его зольности (более 40%) должен функционировать в режиме интенсивной аэрации.Интенсификация биохимических процессов очистки сточных вод предполагает усиление синергетических связей в системе биологических превращений и совпадения результатов явлений илоразделения и фильтрации воды.
Увеличение концентрации ила благодаря его сепарации на мембранах на первый взгляд является положительным моментом, усиливающим окисление загрязнений и распад примесей. Однако необходимо внимательно оценить, какие именно виды загрязнений удаляются более интенсивно, и выясняется, что высокие показатели по удалению загрязнений достигаются за счет гетеротрофных бактерий.
На современном этапе развития техники особое внимание должно быть уделено развитию автотрофных нитрифицирующих микроорганизмов и групп микробов, участвующих в миграции фосфора. Уплотнение ценоза за счет быстро растущих гетеротрофных видов бактерий приводит к поглощению бактерий-нитрификаторов массой насыщенной внеклеточными биополимерами субстанции, в результате чего ослабляется диффузия кислорода и аммонийного азота. Известно, что поглощение бактерий-нитрификаторов биомассой гетеро-трофов в биологических фильтрах является основной причиной слабой нитрификации в высо-конагружаемых биофильтрах [3]. Также известно, что укрупнение хлопьев ила вызывает омертвление центральной части, в связи с чем повышение дозы ила одновременно снижает содержание живой активной части его.
Высокая доза ила в оксидной части и в блоке фильтрации требует усиления процесса массо-переноса кислорода, то есть увеличения расхода воздуха на дыхание ила и смыв биопленки с поверхности мембран. Поэтому следует направить усилия на интенсификацию нитрификации, которая осуществляется за счет ускоренного роста бактерий-нитрификаторов.
Кроме усиления массопереноса компонентов необходимо создать благоприятную структуру дисперсной среды. На поверхности твердых носителей (активированный уголь, пластмассовые элементы) создается благоприятная среда для прикрепления бактерий-нитрификаторов в виде нитей и гроздей, плавно витающих в струях воды, обогащенных кислородом и аммонийным азотом. Это явление раскрылось на очистных станциях, на которых использовались реагенты Ре2(304)3 и А!2(304)3. Добавка реагентов сразу же усиливала нитрификацию при дозе ила 4 -4,5 г/л и зольности 30 - 35% [2].
Увеличение дозы ила неблагоприятно влияет на процессы фильтрации на мембранах. Пропу-
скная способность мембран напрямую зависит от динамической вязкости воды, обусловленной накоплением продуктов метаболизма бактерий и твердыми примесями. Накопление продуктов метаболизма на рис. 1 показано в виде увеличения ХПК фильтрата (при одном и том же стоке) в зависимости от дозы ила [6]. Вязкость иловой воды повышается при уплотнении ценоза за счет роста количества бактерий в единице объема иловой смеси, а также за счет слипания бактерий в агрегаты.
Отмечено, что активный ил с низким возрастом (< 10 сут) создает более вязкую среду, нежели дезагрегированный ил с высоким возрастом (>30 сут). Ухудшение диффузионных явлений показано на том же рис. 1 посредством измерения качества работы аэраторов аР в загущенных иловых смесях: массоперенос кислорода резко снижается по мере увеличения дозы ила [6].
Динамика роста трансмембранного давления (ДЛД/) по мере увеличения пропускной способности мембраны д3 вследствие накопления ила на её поверхности показана на рис 2 [6].
Рис. 1. Зависимость коэффициента качества аэрации аР (1) и ХПК фильтрованной пробы (2) от дозы ила а.
10 20 30 40 Ч,,лУм:мин Рис. 2. Зависимость величины темпа увеличения сопротивления мембраны ДР/Д от расхода фильтрата
Изменение условий работы оксидной зоны учитывается путем сравнения с обычным аэро-тенком и традиционными параметрами: доза ила 3 г/л, зольность 30 - 33%, количество активного беззольного вещества ила 2 г/л. При
увеличении дозы ила до 3,5 г/л зольность его возрастает до 35%. При дальнейшем увеличении дозы ила до 4 4,5 г/л зольность ила составляет до 0,37 - 0,38, что необходимо учитывать в расчетах.
Добавка реагентов позволяет повысить дозу ила до 4,5 - 5 г/л при его зольности порядка 40%. Уплотнение ценоза ила до 10 - 14 г/л вызывает повышение его зольности до 50 - 55% при возрасте 25 - 35 сут. Примерное количество ила по беззольному приведено в табл. 1.
Таблица 1
Условия работы* Доза ила, г/л Зольность ила, % Доза ила по активному беззольному веществу, г/л
Слабоконцентрированные стоки, С№ < 20 г/м3 до 3 30-33 2
Стоки со средней концентрацией, С№ < 35 г/м3 3,5 33-35 2,4
Стоки с высокой концентрацией, С№ < 55 г/м3 4,0 35-38 2,5
МБР до 6,0 до 40 3,5
МБР до 10,0 до 45 5
* Примечание. Повышение дозы ила включает использование оборудования, материалов реагентной обработки для интенсификации процесса нитрификации.
Рециркуляция ила необходима для восстановления нитратов и возврата ила из узла фильтрации в оксидную зону. В первом случае кратность рециркуляции составит
п
(1)
где Сл,д - количество денитрифицируемого азота (г/м ), - содержание азота нитратов
в рециркулируемой иловой смеси.
Возврат ила из узла фильтрации определяется его концентрацией на поверхности мембран Сас, кг/м3. Доза ила в оксидной зоне
а;
сц
((2)
Концентрация осадка в значительной степени зависит от трансмембранного давления [4,5].
Удаление слоя осадка и восстановление пропускной способности мембран производят путем обратной промывки фильтратом, гидродинамическим воздействием на сформировавшийся слой осадка (струями воды либо аэрацией), механическим ударным действием твердых частиц в промывной воде (например, при помощи частиц активированного угля). Очистка каналов пор от солевых отложений и затвердевающих органических и неорганических примесей осуществляют при помощи щелочных или ки-
слотных растворов (NaOH, HCl, щавелевой, лимонной и другими органическими кислотами), а органические загрязнения окисляют NaOCl до растворимых форм с последующей промывкой чистой водой.
Интенсивное образование зооглейной оболочки характерно для ила, функционирующего в режиме средних нагрузок по БПК5, в пределах 0,2-0,3 кг БПК5 на 1 кг ила в сут. Исходя из условий существования нитрифицирующих бактерий (нагрузка на ил не более 0,12-0,15 кг/кг сут) и нежелательности полного их обволакивания гетеротрофной биомассой, следует поддерживать возраст ила не менее 15 сут [1] .
Струи воздуха, выходящие из отверстий диаметром 3-5 мм, образуют пузырьки диаметром 8-10 мм (скорость всплывания их более 0,15 м/с), создают колебательное движение воды вблизи слоя осадка способствует отрыву биопленки и выносу ее с потоком воды. Расход воздуха соотносят с площадью поверхности мембран либо с расходом фильтрата.
По опыту работы МБР средний расход воздуха рекомендуется определять таким соотношением [6]
= +0,48-10"Ч, м3/м2ч ((3)
где %
минимальный расход воздуха, рав-
3 2
ный в среднем 0,55 м /м -ч, который зависит от свойств ила (диапазон изменения от 0,2 до 0,8 -1,0 м3/м2-ч).
Оптимальный расход воздуха принято определять экспериментально в конкретных условиях работы МБР.
Взаимосвязь расхода фильтрата д3 и трансмембранного давления заключена в параметре
К — —, зависящем от сопротивления иловой
смеси и динамической вязкости. По мере увеличения д3 слой осадка на мембране постепенно нарастает и сокращается длительность фильт-роцикла. Целесообразно сформулировать это
явление в виде параметра равного произведению величины трансмембранного давления на длительность цикла:
" 1 (4)
из которого следует, что в стационарных условиях возможно предвидеть окончание цикла по предельному давлению. Экспериментально устанавливается предельное давление, например, 0,5, 1,0 или 2,0 бар, и период времени фильтрации в конкретных условиях в зависимости от расхода фильтрата (табл.2).
Функция Qц = t ■ АР = f(шqs~) позволяет наметить режим работы мембранного блока заметим, что такой принцип заложен в определении Кр=2 при давлении 2 бара, являющимся возможной
О В
К*
£
55 т П 1
максимальной пропускной способностью мембраны. Например, при Кр=2 = 200 значение Кр=025 достигает 25 л/м2 -ч.
Таблица 2
Максимальная продолжительность работы мембран в
Технология мембранной фильтрации является исключительной во всех отношениях: с экономической точки зрения, тонкости процесса и чувствительности к составу сточных вод, сложности управления биохимическими реакциями, по опасности забивания мембран загрязнениями.
Известны случаи забивания мембран нефтепродуктами, затвердевающими материалами, обрастания , в результате чего требовалась полная замена мембран. Высокая технологичность и стоимость способа очистки сточных вод будет оправдана в таких же исключительных случаях по экономической эффективности вложенных средств, как например, очистка сточных вод до уровня предельно допустимых концентраций примесей в очищенных водах.
Use of membrane technologies in processes of deep
purification of city sewage Mishukov B.G., Solovyova E.A.
St. Petersburg state architectural and construction university Membrane filtration of water through fine porous materials has been recognized and widely spread due to the high quality of the filtrate, from which salts, molecules of substances, bacteria and solid particles of colloidal impurities can be removed. For the deep purification of urban wastewater, it is sufficient to confine oneself to the retention of large bacteria and larger particles forming a bacterial biomass (in the form of active silt or a biological film) directly involved in biochemical reactions of wastewater treatment. Membranes in such systems act as separators separating the active biomass from purified water. Membrane filtration is a part of the wastewater treatment system, its use must be linked to the best available wastewater treatment technologies and sediment processing. Keywords: Membrane filtration of water, sewage treatment, is deep cleaning, membrane technologies
References
1. Mishukov B.G. Membrane biological reactors for deep wastewater treatment / Solov'eva EA , St. Petersburg: Publishing House SPbGЭУ, 2017.-64x.
2. Soloveva E.A. Removal of nitrogen and phosphorus from urban wastewater. Technologies for removal of nitrogen and phosphorus in a complex for wastewater treatment and sludge treatment / Е.А. Solovyov. Ed. LAP LAMBERT Academic Publishing (ISBN-13: 978-3-8465-0130-6). Germany, 2011. - 292 p.
3. Feofanov Yu.A. Bioreactors with fixed and mobile loading for
water purification / Yu.A. Theophanes; SPbGASU. - St. Petersburg, 2012.-203 p.
4. Technical handbook on water treatment: in 2 tons: trans. with
fr. - SPb .: New Journal, 2007. - T.1. - 774 sec.
5. Technical handbook on water treatment: in 2 tons: trans. with
fr. - SPb .: New Journal, 2007. - T.2. - 1696 sec.
6. Simon Judd. The MBR book: Principles and Application of
Membrane Bioreactors in Water and Wastewater Treatment. - ELSEVIER, 2006. - 310 s.
зависимости от пропускной способности
Расход фильтрата, л/м2-ч Нарастание сопротивления, AP/At, кРа/ч Продолжительность цикла фильтрации, час
9 0,04 240
12 0,0002 300
17 0,005 600
22 0,011 1200
25 0,024 300
30 0,072 250
Литература
1. Мишуков Б.Г. Мембранные биологические реакторы для глубокой очистки сточных вод/ Соловьева Е.А. ;СПб.:Изд-во СПбГЭУ, 2017.-64.с.
2. Соловьева Е.А. Удаление азота и фосфора из городских сточных вод. Технологии удаления азота и фосфора в комплексе по очистке сточных вод и обработке осадка / Е.А. Соловьева. Изд. LAP LAMBERT Academic Publishing (ISBN-13:978-3-8465-0130-6). Германия, 2011. -292 с.
3. Феофанов Ю.А. Биореакторы с неподвижной и подвижной загрузкой для очистки во-ды/Ю.А. Феофанов; СПбГАСУ. - СПб., 2012.203 с.
4. Технический справочник по обработке воды: в 2 т.: пер. с фр. - СПб.: Новый журнал, 2007. - Т.1. - 774 с.
5. Технический справочник по обработке воды: в 2 т.: пер. с фр. - СПб.: Новый журнал, 2007. - Т.2. - 1696 с.
6. Simon Judd. The MBR book: Principles and Application of Membrane Bioreactors in Water and Wastewater Treatment. - ELSEVIER, 2006. - 310 с.
