CC BY
43
бетонных смесей // Тез. Всесоюзн. научн-технич. конф.: «Проблемы формования при изготовлении изделий сборного железобетона». — Челябинск, Урало-Сибирский Дом экономической и научно-технической пропаганды, 1991. С.18-20.
14. Васильев В.Г. Блочные виброплощадки с безударными асимметричными колебаниями // Механизация строительства, 2017, № 7. С. 14-16.
15. Васильев В.Г. Выбор режимов формования железобетонных изделий из жестких бетонных смесей // Системные технологии, 2019, № 33. С.5-10.
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
В.Г. Васильев. Особенности уплотнения бетонных смесей асимметричными безударными режимами. — Системные технологии. — 2020. — № 36. — С. 18—23.
FEATURES OF COMPACTION OF CONCRETE MIXTURES BY ASYMMETRIC SHOCKLESS MODES V.G.Vasiliev
Moscow State University of Civil Engineering (MGSU) National Research University, Moscow
Abstract.
The article summarizes the results of experiments on the compaction of concrete mixes by various vibration effects. The high efficiency of asymmetric shock-free modes for compacting rigid concrete mixtures is shown in comparison with symmetric and shock-vibration modes, which makes it possible to shorten the molding cycle of reinforced concrete products and increase the strength of hardened concrete.
Key words:
vibration compaction, rigid concrete mix, asymmetric shock-free vibration mode, vibration plate. Date of receipt in edition: 14.09.20 Date o f acceptance for printing: 22.09.20
О
са
1-
и
J3
с;
ш
1-
S
О
а
1-
и
О
Z
М
О
-1
М
Э
СО
УДК 628.31.62-278
КОМБИНИРОВАННАЯ РЕАГЕНТНО-МЕМБРАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ ФИЛЬТРАТОВ ПОЛИГОНОВ ХРАНЕНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ С УТИЛИЗАЦИЕЙ КОНЦЕНТРАТОВ
Л.С. Скворцов*, А.В. Шептунов**, Т.Н. Ширкова***, А.Г. Первов***
1 Российская академия естественных наук, г. Москва
2 ООО «НПО «Квантовые технологии», г. Москва
3 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, г. Москва
к
га
I i , я •i а £0 ^
и
if
ас IS
■J re I" щ
M а О к
Is
с m ш о
Э s
со i
< Ч
со°
3 *
Utfl
О со со а * ш
и с
UL ■ ■
с;«
Аннотация.
Ключевые слова:
Описана новая технология очистки фильтрата хранения ТБО, основанная на реагентном осаждении растворенных органических веществ и последующей обработке методом обратного осмоса. Отличительной чертой технологии является отсутствие концентрата установки обратного осмоса: утилизация концентрата достигается за счет сокращения его расхода до величины, составляющей менее 1 % от расхода фильтрата ТБО, поступающего на обработку, и выведения его вместе с осадком, при этом влажность осадка составляет не более 80 %. Представлены результаты проведения экспериментов, позволяющие определить производительность и селективность мембран на разных стадиях обработки фильтрата ТБО.
полигоны хранения твердых бытовых отходов, фильтраты ТБО, обратный осмос, нано-фильтрация, реагентное осаждение органических загрязнений, утилизация концентратов установок обратного осмоса.
История статьи:
Дата поступления в редакцию:
02.10.20
Дата принятия к печати:
05.10.20
Как показано в работе, традиционно, в случае применения метода обратного осмоса для очистки фильтратов ТКО, концентраты установок, расход которых составляет от 25 до 33 % от общего расхода очищаемой воды, возвращается обратно в «тело» полигона, что вызывает увеличение затрат на последующую очистку фильтрата ТКО. Представленный проект универсальной установки очистки фильтратов ТБО различного состава позволяет обработать фильтрат, получить очищенную воду и обезвоженные осадки, а также определить экономические показатели различных подходов к очистке фильтрата ТБО.
Дана экономическая оценка очистки фильтрата с применением реагентных методов и без применения реагентов. Представлены новые разработки, позволяющие снизить эксплуатационные затраты мембранных установок обратного осмоса и радикально сократить расходы концентрата до величины 1-5 % от объема обрабатываемого фильтрата ТКО.
Введение
Строительство полигонов хранения твердых бытовых отходов (ТБО) создало проблему загрязнения подземных и поверхностных вод токсичными продуктами разложения органических веществ [1]. «Тело» полигона пропитано водой, содержащей токсичные загрязнения (рисунок 1).
По мере гниения и разложения бытовых отходов концентрации загрязнений в воде, находящейся в «теле» полигона, возрастают. Например, в воде «старого» полигона ТБО «Тимохово» в Ногинске значение ХПК ( химического потребления кислорода) достигает 4000 мг/л.Кроме того, в воде также в больших
в
Рис. 1. Загрязнение подземных и поверхностных вод токсичными продуктами разложения органических веществ полигонов ТБО:
а) образование фильтрата ТБО во время дождя;
б) очистка фильтрата ТБО методом обратного осмоса и возврат концентрата в «тело» полигона.
количествах содержатся ионы кальция, хлориды и сульфаты. А значение концентрации ионов аммония достигает 2200 мг/л. При этом с течением времени ( с увеличением «возраста» полигона) наблюдается постоянное увеличение значений этих показателей. Дождевые осадки вытесняют содержащуюся в «теле» полигона загрязненную воду (так называемый фильтрат ТБО) [1] которая, попадая в подземные и поверхностные водоисточники, создает серьезную экологическую проблему [1, 2].
Для предотвращения ущерба окружающей среде, фильтраты полигонов ТБО должны быть очищены до уровня современных требований, предъявляемых к очищенной воде, поступающей в водоемы рыбохозяйственного назначения [3-5]. Для достижения нормативных требований по содержанию аммония в воде, сбрасываемой в водоемы рыбохозяйственного назначения (0,2-0,5 мг/л), содержание ионов аммония в фильтратах ТБО следует снизить в 5-6 тысяч раз (таблица 1). При таких высоких показателях ХПК (от 2000 до 4000 и выше) удаление из фильтрата ТБО органических загрязнений также представляет серьезную задачу [6,7].
Удаление из фильтрата ТБО органических загрязнений, определяемых показателем ХПК, может быть произведено путем их химического осаждения. Использование различных реагентов (сернокислого железа, извести, флокулянтов и др.) в стехиометрических количествах (2-3 грамма на 1 литр фильтрата ТБО) и длительное отстаивание требуют высоких капитальных и эксплуатационных затрат [8, 10]. Большое количество образующегося осадка (7000-10000 мг на 1 литр фильтрата ТБО) и необходимость его складирования и утилизации на специальных полигонах также создает дополнительную проблему. В современной практике очистки фильтратов ТБО методом обратного осмоса на стадии предварительной очистки из исходной воды с применением коагуляции удаляются только взвешенные вещества, после чего раствор фильтрата ТБО с высоким содержанием органических веществ направляется на обратноосмотические установки.
Технология обратного осмоса позволяет эффективно удалять из воды не только растворенные загрязнения в ионной форме (ионы аммония, фосфат-ионы и др.), но и растворенные органические соединения, определяемые показателем ХПК [4, 5]. Современные обратноосмотические мембраны позволяют снизить концентрацию ионов аммония, в 20-30 раз [6, 7]. Для того, чтобы снизить содержание аммония в 2000-5000 раз, потребуется не менее трех ступеней обработки воды: когда очищенная мембранами вода (со снижением концентрации аммония в 20 раз) проходит обработку на второй ступени [11], после которой концентрация аммония снижается по сравнению с исходной водой в 400 раз, а при использовании третьей ступени концентрация аммония может снизиться в 8000 раз.
При высоких значениях величин ХПК (3000 — 10000 мг/л) и общего солесодержания (до 10000 мг/л) в фильтратах ТБО затраты на их очистку с применением мембран обратного осмоса требует высоких эксплуатационных затрат на создание рабочего давления, очистку мембран и их замену. При таких высоких концентрациях солей и органических веществ величина удельной производительности мембран имеет низкое значение [11, 13]. В ряде случаев для очистки фильтратов ТБО низконапорные обратноосмотические мембраны оказываются неприменимы, и для этих целей используют мембраны, предназначенные для опреснения морской воды, работающие под давлением 5-7 МПа [11, 13].
При использовании технологии обратного осмоса образуются концентраты, утилизация которых представляет серьезную проблему. Расходы концентратов составляют от 20 до 30 % от всей поступающей на обработку воды. С ростом величины общего солесодержания в концентрате величина удельной производительности мембран снижается, что наблюдается при опреснения морской воды [11].
03
г
м О
-I
м
Э СО
к га г
I
, го £0 ^
и
I!
X £
щ
ю а О к
м
с т ш о
со I
< ч
Пса
О са ш а * ш
и с
иь: ■ ■
с;«
Таблица 1
Составы фильтратов полигонов хранения твердых бытовых отходов
Показатели ТБО «Тимохово» ТБО «Царево» ТКО «Александров»
исх. ф-т после II ступ. исх. ф-т после IV ступ. исх. ф-т после III ступ.
Взвешенные вещества, мг/л 180 - 220 - 329 -
ХПК, мг/л 1728 12 3200 2.1 4387 2.4
БПК, мг/л 805 - 925 - 2690 -
Аммоний (ЫН4+), мг/л 425 0.45 2400 0.5 380 0.2
М03-, мг/л 65.5 - 59 - - -
Щелочность, мг/л 5600 15 13546 - 760 -
С1-, мг/л 728 2 2700 3.0 980 10.0
804-, мг/л 210 29 1200 - 86 1.2
Общая жесткость, мг-экв/л 15.5 - 20.0 - 5.5 -
рн 8.9 - 8.9 - 7.7 -
№++К+, мг/л 480 - 1000 - - -
Фенолы - - 0.2 - - -
Общее солесодержание, мг/л 3600 6 9000 2 3580 65
Расход, м3/сут 1000 980 1000 950 1000 900
В практике использования систем обратного осмоса для очистки фильтратов полигонов ТБО образующийся концентрат выливается на «тело» полигона (рисунок 1). Смешение концентрата, содержащего все удаленные из фильтрата ТБО загрязнений с дождевой водой сохраняет баланс загрязнений: после смешивания получается вода, соответствующая по составу фильтрату ТБО.
При таком подходе к решению проблемы концентрата количество обрабатываемой воды (фильтрата ТБО) увеличивается на 45 % с учетом дополнительного вытеснения фильтрата ТБО концентратом. С течением времени концентрации органических загрязнений и солей аммония в фильтрате ТБО неуклонно увеличиваются [12], что может привести к существенному увеличению затрат на его очистку.
Для решения этой проблемы авторами предложена технология, состоящая в радикальном снижении расхода концентрата до величины, составляющей 1-5 % от расхода исходной воды, что позволяет вывоз и утилизацию концентрата вместе с обезвоженным осадком удаленных из фильтрата взвешенных и органических веществ. При удалении из воды органических веществ путем их химического осаждения величина осмотического давления раствора (фильтрата ТБО) снижается, что позволяет уменьшить требуемую величину рабочего давления для ведения процесса обратного осмоса и обеспечить условия для сокращения расхода концентрата.
Для сокращения расхода концентрата на первой ступени очистки используются низкоселективные нанофильтрационные мембраны [12, 13]. Такой «каскадный» подход используется при разработке установок опреснения морской воды [11]. При этом расход концентрата может составлять не более 1-5 процентов от расхода исходного фильтрата ТБО, при этом концентрация солей в концентрате может достигать 75-80 граммов на литр. В соответствии с разработанной технологией фильтрат после нанофильтрационной ступени проходит дальнейшую обработку с помощью мембран второй и третьей ступеней [13].
Начиная с 2017 года, на ряде полигонов хранения твердых коммунальных отходов для очистки их фильтратов используются установки обратного осмоса производительностью 100-500 кубометров очищенной воды в сутки. Эти установки изготовлены и поставлены в основном зарубежными фирмами.
Установки обратного осмоса работают по вышеописанной трехступенчатой схеме для обеспечения надежного удаления из воды ионов аммония до величины 0,2-0,5 мг/л, что соответствует действующему нормативу для вод, сбрасываемых в водоемы рыбохозяйственного назначения. Такие схемы оснащены мембранами высокого давления, что связано с необходимостью обработки воды с высоким содержанием органических веществ (с высоким показателем ХПК). Перед подачей на установки обратного осмоса фильтрат ТБО проходит обычно предварительную обработку, состоящую из коагуляции взвешенных веществ, их отстаивании и фильтровании. Такая схема очистки получила название «кайзеровской» по имени генерального директора компании «Экоком» Оливера Кайзера (Австрия). Компания «Экоком» первой стала поставлять и эксплуатировать установки обратного осмоса на полигонах Московской области.
В 2020 году компания «Эколайн-Владимир», занимающаяся сбором, хранением и обработкой коммунальных отходов во Владимирской области, для полигона ТКО «Александров» закупила у одной из зарубежных фирм установку обратного осмоса, работающую по «кайзеровской» схеме. Предвидя высокие эксплуатационные затраты такой установки, компания «Эколайн-Владимир» одновременно заказала у фирмы «Квантовые технологии » проект и дальнейшую поставку установки для дополнительной очистки 100-120 куб. м сточной воды, работающей в соответствии с разработанной авторами настоящей статьи реагентно-мембранной технологией. Эксплуатация такой дополнительной опытно-промышленной установки позволит провести сравнение технических и экономических показателей двух технологий.
Описание технологии
Технологическая схема обработки фильтрата полигона ТКО «Александров» в упрощенном виде представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Технологическая схема обработки фильтрата полигона хранения твердых бытовых отходов.
Установка для очистки фильтрата состоит из отдельных блоков. Из приемной емкости (1) фильтрат попадает в блок реагентной обработки (2), в котором осуществляется максимальное осаждение токсичных загрязнителей, составляющих основу фильтрата. Для дальнейшей доочистки фильтрат направляется в блок интенсивного осаждения (3), совмещенный с блоком фильтрации. Подготовленный таким образом фильтрат поступает на блок мембранной очистки, состоящий из установки нанофильтрации и обратного осмоса (4). После обеззараживания фильтрат поступает в приемный резервуар (5) из которого осуществляется полив сельхозугодий и забор воды на другие технические цели. Собранный осадок собирается в резервуаре-накопителе (6) и после установки обезвоживания (7) обрабатывается с применением специальных реагентов для дальнейшего использования.
03
г
м О
-I
м
Э СО
к га г
I
, я £0 ^
и
I!
ас 12
Ь га щ
СО 11
О к
м
с т ш о
со I
< ч
со° ^со
О со со а * ш
и с ■ ■
с;«
Для обработки фильтрата ТКО после химического осаждения органических загрязнений используется разработанная авторами мембранная установка производительностью 5000 литров в час. Установка имеет универсальное назначение и включает необходимое количество узлов, позволяющее получить очищенную воду для ее дальнейшего использования.
Разработанная установка позволяет произвести очистку фильтрата ТКО в три ступени в зависимости от величины общего солесодержания, а также значений ХПК и концентрации аммония.
На первой ступени используются нанофильтрационные мембраны, что позволяет сократить расход концентрата.
Часть пермеата нанофильтрационных мембран поступает на первую ступень обратного осмоса, другая часть фильтрата нанофильтрации (с высокими значениями общего солесодержания и ХПК) смешивается с исходным фильтратом ТКО, поступающим на мембранную очистку.
Пермеат первой ступени поступает в аппарат второй ступени, где разделяется на пермеат и концентрат. Пермеат второй ступени направляется на аппараты третьей ступени, а концентрат второй ступени поступает на вход в установку, где смешивается с исходным фильтратом ТКО. В аппаратах третьей ступени пермеат второй ступени также разделяется на пермеат и концентрат, последний направляется на вход в установку второй ступени.
Концентрат может смешиваться с удаленным осадком и выводиться из установки вместе с осадком. Количество ступеней мембранной очистки определяется расчетным путем в зависимости от концентрации ионов аммония в исходной воде и типов применяемых мембран. Так, для фильтрата ТКО, прошедшего реагентную обработку, расчет показывает, что достаточно применить три ступени с использованием нанофильтрационных мембран на первой ступени и мембран низконапорного осмоса на второй и третьей ступенях. Величина выхода фильтрата (отношение расхода пермеата к расходу исходной воды) на второй и третьей ступенях составляет не менее 0,9, т. е. расход концентрата второй и третьей ступеней максимально составит 1/10 от расхода исходной воды.
В случае применения в схеме очистки гипохлорита натрия, гипохлорит может быть получен из концентрата установки второй ступени, представляющего собой концентрированный раствор смеси хлоридов натрия и аммония. На первой ступени нанофильтрационные мембраны задерживают преимущественно органические вещества и двухвалентные ионы жесткости и железа, сульфат-ионы, ионы тяжелых металлов. Поэтому пермеат первой ступени представляет собой смесь хлоридов натрия и аммония, величина общего солесодержания пермеата первой ступени составляет 600 — 900 мг/л. Для того, чтобы получить 30-50 литров раствора хлорида натрия с концентрацией 25000 — 30000 мг/л, величина выхода пермеата на второй ступени мембранной установки поддерживается на уровне 0,95-0,97 , при этом расход концентрата второй ступени составляет 1/20 — 1/30 от расхода поступающей в нее исходной воды (пермеата первой ступени). Таким образом, концентрат второй ступени с концентрацией хлорида натрия 25-35 граммов на литр может поступать в электролизную установку для производства гипохлорита натрия.
Очищенный фильтрат попадает в аэрируемый (с целью предотвращения загнивания воды) пруд и может быть использован для любых хозяйственных нужд полигона.
Технология обратного осмоса
Схема разработанной установки обратного осмоса производительностью 5000 литров в час представлена на рис.3.Использована трехступенчатая схема очистки с применением мембран обратного осмоса на первой ступени и мембран обратного осмоса на второй и третьей ступенях. Это связано с тем, что современные мембраны обратного осмоса обеспечивают снижение концентрации одновалентного иона аммония не более чем в 20 раз. При содержании иона аммония в исходной воде (фильтрате ТКО, прошедшем химическую очистку) на уровне 200-400 мг/л и при требованиях по содержанию аммония в воде, сбрасываемой в водоемы рыбохозяйственного назначения на уровне
0,5 мг/л, требуется снижение концентрации иона аммония в 500 — 1000 раз. Нанофильтраци-онные мембраны используются для обработки концентрата первой ступени и сокращения его расхода.
Исходная вода после химического осаждения с расходом 5000 литров в час проходит дисковые микрофильтры (1), проходит регулирующую напорную емкость (2) и подается в рабочий насос первой ступени (3), который подает воду в мембранные аппараты обратного осмоса первой ступени (4) (рисунок 3). Концентрат аппаратов первой ступени проходит дополнительную обработку на нанофильтрационных аппаратах четвертой ступени (5). Расход концентрата на выходе из аппаратов четвертой ступени (5) составляет не более 10 литров в час. Фильтрат аппаратов первой ступени поступает на установку второй ступени: проходит через напорную регулирующую емкость (6) и поступает в насос второй ступени (7), который подает воду в обратноосмотические аппараты второй ступени (8).
Фильтрат (очищенная вода, прошедшая через мембраны четвертой ступени (5) подается на вход в установку в напорную регулирующую емкость (2). В напорную регулирующую емкость (2) подается также концентрат второй ступени.
Фильтрат (очищенная вода) второй ступени подается в установку третьей ступени, проходя через напорную регулирующую емкость третьей ступени (9) в насос (10), который под давлением подает воду в аппараты обратного осмоса третьей ступени (11). Фильтрат аппаратов третьей ступени (11) по своему качеству (по содержанию иона аммония) соответствует требованиям, предъявляемым к воде, сбрасываемой в поверхностные водоемы рыбохозяйственного назначения. Концентрат установки третьей ступени после аппаратов третьей ступени (11) подается на вход в установку третьей ступени в напорную регулирующую емкость (6). Для регулировки давления и расхода концентрата в установках обратного осмоса первой, второй и третьей ступени используют регулирующие вентили (12). Концентрат установки после аппаратов четвертой ступени (5) с расходом 10 литров в час поступает в осадкоуплотнитель и смешивается с влажным осадком из отстойников. Часть концентрата второй ступени (представляющего собой смесь хлоридов натрия и аммония концентрацией 25-30 граммов/л) с расходом 2 литра в час используется для приготовления раствора гипохлорита натрия.
03
г
м О
-I
м
Э
СО
Рис. 3. Схема установки трехступенчатой очистки методом обратного осмоса:
1 — дисковый микрофильтр; 2 — бак-гидроаккумулятор исходной воды; 3 — рабочий насос первой ступени; 4 — мембранный блок первой ступени; 5 — мембранный блок сокращения расхода концентрата; 6 — бак-гидроаккумулятор фильтрата первой ступени; 7 — рабочий насос второй ступени; 8 — мембранный блок второй ступени; 9 — бак-гидроаккумулятор фильтрата второй ступени; 10 — рабочий насос третьей ступени; 11 — мембранный блок третьей ступени; 12 — регулирующий давление вентиль.
к
га
I I
, я £0 ^
и
I!
ас 12
Ь га щ
СО 11
О к
м
с т ш о
со I
< ч
со° ^со
О со со а * ш
и с ■ ■
с;«
В настоящей работе представлены результаты проведенных экспериментальных работ по определению основных технологических параметров системы обратного осмоса для проектирования установки и расчета эксплуатационных затрат. Целью проведенных экспериментов было:
- определение эффективности задержания мембранами различных ионов на каждой ступени;
- определение зависимостей снижения величин удельной производительности различных мембран с ростом величины «выхода фильтрата»;
- определение скоростей образования на мембранах органических осадков и эффективности проведения химических промывок.
Разработанная технология позволяет разделить фильтрат полигона ТКО «Александров» на очищенную воду и обезвоженный осадок, пригодный для его дальнейшей утилизации. Для расчета мембранной установки необходимо определить: типы и марки применяемых мембран, количество ступеней обработки, схемы подключения аппаратов, величины рабочего давления, селективности и производительности мембран на каждой ступени обработки, а также величины выхода фильтрата на каждой ступени.
Описание экспериментов
В процессе эксперимента были определены зависимости селективности мембран от выхода фильтрата с целью определить требуемую величину выхода фильтрата установки обратного осмоса. Для определения возможностей установки по сокращению объема концентрат до заданной величины были запланированы эксперименты по определению изменения производительности мембран в процессе увеличения концентраций солей и органических загрязнений в концентрате установки. Кроме того, в процессе увеличения значения ХПК в концентрате повышается опасность образования на мембранах отложений органических осадков, скорость образования которых предполагалось определить.
Эксперименты проводились на экспериментальной установке, показанной на рисунке 4. Использовались мембранные элементы типа 1812 с обратноосмотическими мембранами типа БЬМ и нанофильтраци-онными мембранами типа 90 МБ. Площадь мембран в элементе стандарта 1812 составляла 0,5 кв. метра. Использовались пробы фильтрата ТКО (таблица 2), прошедшие реагентную обработку, и пробы без реагентов обработки. Объемы проб составляли 20 литров. Значение рабочего давления составляло 0,8 МПа.
Рис. 4. Схема экспериментальной установки. 1 — бак исходной воды; 2 — насос; 3 — мембранный аппарат в напорном корпусе; 4 — бак сбора фильтрата; 5 — теплообменник; 6 — манометр; 7 — расходомер; 8 — расходомер фильтрата; 9 — расходомер концентрата;
10—регулирующий клапан байпаса; 11 — регулирующий клапан расхода исходной воды; 12 — регулирующий давление вентиль; 13 — клапан регулировки расхода охлаждающей воды; 14, 15 — пробоотборники.
Исходная вода помещается в бак исходной воды (1), откуда насосом (2) подаётся в мембранный аппарат (3), где разделяется на фильтрат и концентрат. Давление в аппарате регулируется с помощью вентиля (12) и определяется по манометру (6). Для поддержания постоянной температуры циркулирующей воды использовался теплообменник 5. Концентрат после аппарата направляется в бак исходной воды 1, а фильтрат — в бак сбора фильтрата 4.
Исходя из опыта обработки сточных вод с помощью обратноосмотических мембран, на первой ступени очистки сточной воды проводили обработку с применением обратноосмотических мембран БЬМ уменьшив объём исходной воды в 7-10 раз. Далее снижение объема концентрата производилось с помощью нанофильтрационных мембран 90 МБ, имеющих большую удельную производительность. Как показали результаты анализа воды, мембраны БЬМ эффективно задерживают нитрит-ионы и фосфаты, концентрации которых в фильтрате оказываются значительно ниже нормативных требований.
Чем больше значение К, тем выше значение концентрации аммония в фильтрате. Очевидно, чем выше значение К, тем меньше будут расходы концентрата и затраты на его утилизацию. Значения концентраций ионов аммония, хлорид-ионов, сульфат-ионов, а также значения концентраций органических веществ, определяемых термином ХПК, показаны на рисунке 5.
Таблица 2
Результаты обработки фильтрата ТКО «Александров»»
Показатели Исх. После реагент. обработки После 1 ступ., НФ После 2 ступ., мембраны БЬМ После 3 ступ., мембраны ББ 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, мг/л 190 70 21.0 5.0 1.0 - -
Натрий, мг/л 1144 1100 540 57.5 5.0 3500 4100
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 солесодержание, мг/л 3580 1900 950 97.1 8.3 80000 80000
03
г
м О
-I
м
Э СО
к га г
I
, я £0 ^
и
I!
ас £
Ь га щ
СО а
О к
м
с т ш о
со I
< ч
со° ^со
О со со а * ш
и с ■ ■
с; «
Рис 5. Зависимости концентраций, содержащихся в воде растворенных загрязнений
от величины К при использовании на всех ступенях мембран БЬЫ:
а) в концентрате установки первой ступени;
б) в фильтрате установки первой ступени;
в) в фильтрате установки второй ступени;
г) в фильтрате установки третьей ступени.
На рисунке 5 показаны полученные зависимости концентраций загрязнений при обработке фильтрата ТКО на первой ступени, и пермеатов мембран, полученных на второй и третьей ступенях в зависимости от величины К (кратность снижения объема исходной воды после обработки, т.е. отношение объема исходной воды к объему концентрата). Полученные результаты обработаны таким образом, чтобы получить расчетные уравнения зависимостей селективности мембран от выхода фильтрата для разных типов мембран и составов исходной воды (рисунок 6).
Рис. 6. Логарифмические зависимости значений селективностей мембран от величины «выхода фильтрата» (отношения объема полученного фильтрата к объему исходной воды).
Очень наглядную демонстрацию качества воды и содержания в ней органических веществ дают результаты проведения спектрального анализа проб воды (рисунок 7). Здесь представлены зависимости величины светопоглощения проб воды от длины волны света, пропускаемого через пробу воды. Изменение оптической плотности в различных частях спектра позволяет сделать вывод о значениях молекулярного веса содержащихся в воде органических веществ.
Рис. 7. Изменение оптической плотности проб воды в зависимости от длины волны светового потока для проб воды на различных стадиях обработки фильтрата ТБО.
На рисунках с 8 и 9 представлены примеры определения требуемой площади поверхности мембран на первой и второй ступенях очистки. Методика расчета требуемых величин мембранных поверхностей для разных случаев разделения фильтратов полигонов ТКО описана в [11, 12].
Результаты экспериментального определения производительностей мембран различных типов, используемых на первой ступени в зависимости от величины К. Зная величину удельной производительности мембран, для каждого диапазона изменения величины К можно определить объем полученного фильтрата и площадь поверхности мембран, необходимую для получения этого объема фильтрата на первой ступени очистки (рисунок 8, б).
На рисунке 9 (а, б) показаны, соответственно, зависимости снижения удельной производительности мембран от К и значения требуемой поверхности мембран от К на второй ступени очистки. Расчеты выполнены для установки производительностью 1000 литров в час.
Удельная производительность, л/час х м2 й
Объем фильтрата, полученного в заданном интервале
5 10 20 30 40 50 60 70 80
Рис. 8. Определение значений необходимой площади мембранной поверхности для достижения заданного значения коэффициента снижения объема К на первой ступени:
а) зависимости снижения величин удельной производительности различных мембран, используемых на первой ступени очистки от значения К;
б) зависимости значений площадей поверхности мембран, используемых на первой ступени очистки.
1 — нанофильтрационная мембрана 70 ^, первая ступень; 2 — нанофильтрационная мембрана 90Ш, первая ступень; 3 — низконапорная обратноосмотическая мембрана BLN, первая ступень; 4 — мембрана обратного осмоса среднего давления BE, первая ступень; 5 — мембрана для опреснения морской воды SW, первая ступень.
и г
ы О
-I ы Э СО
к га х х
И
х 2
га ш
ш а О к
I"
£¡5
С а ш о
3 5 а I
< I
о *
О СА
СО а
* ш и С
и
с; <
Площадь, м2
Удельная производительность, л/час х м2
5 10 20 30 40 50 60 70 80 К
Рис. 9. Определение значений необходимой площади поверхности мембран в зависимости от выбранного значения коэффициента снижения объема К на второй и третьей ступенях:
а) зависимости снижения величин удельной производительности различных мембран, используемых на второй и третьей ступенях очистки от значения К;
б) зависимости значений площадей поверхности мембран, используемых на второй и третьей ступенях очистки.
1 — низконапорные мембраны обратного осмоса BLN, обработка воды, прошедшей через мембраны 70NE на первой ступени, вторая ступень;
2 — мембраны низконапорного обратного осмоса BLN, обработка фильтрата второй ступени после мембран BLN, третья ступень;
3 — мембраны среднего давления BE> обработка фильтрата первой ступени, прошедшего мембраны 70 NE, вторая ступень; 4 — мембраны среднего давления ВЕ, обработка фильтрата второй ступени, прошедшего мембраны BE> третья ступень.
На основе определенных расчетных значений площадей мембран, были рассчитаны требуемые количества мембранных элементов стандартных размеров и определены величины годовых затрат на замену мембран. Максимально достижимое значение величины К определяется, исходя из минимальных значений производительности мембран (рисунок 9) на первой ступени очистки. Для нанофильтрационных мембран модели 70 NE такая величина общего солесодержания концентрата составляет порядка 80 граммов на литр.
При работе мембранной установки происходит образование осадка органических веществ на поверхности мембран. Образование органических осадков на мембранах изучалось в ряде работ [12]. Доказано, что органические загрязнения адсорбируются на поверхности мембраны, при этом селективность мембран повышается, а производительность очень незначительно падает. Процесс адсорбции быстро заканчивается после накопления адсорбционного слоя на мембранах, который после того, как покроет поверхность мембраны, отталкивает органические соединения [12].
Результаты определения скоростей образования органических отложений на мембранах показаны на рисунке 10.
Рис. 10. Определение скоростей адсорбции гуминовых веществ к поверхности обратноосмотической мембраны:
а) зависимость значений ХПК от значения К в концентрате;
б) зависимость количества адсорбированных органических веществ от К;
в) зависимость количества адсорбированных органических веществ от времени эксперимента;
г) зависимость скоростей накопления органических веществ от К.
1 — фильтрат ТБО без обработки;
2 — фильтрат ТБО после реагентной обработки;
3 — бытовая сточная вода.
Определение скоростей адсорбции органических веществ проводилось в соответствии с методикой, описанной в [12]. В процессе обработки фильтрата ТКО определялись значения ХПК в фильтрате и концентрате для разных значений К и времени эксперимента. Количество адсорбированных органических веществ определялось методом массового баланса, как разница между количеством органических веществ в исходной воде и в концентрате и фильтрате для разных значений К (рисунок 10, а, б).
Скорости образования отложений определялись как значения тангенсов углов наклона касательных к кривым графиков зависимостей количества осадка от времени в точках, соответствующих выбранным значениям К (рисунок 10, в).
Определение скоростей адсорбции позволяет прогнозировать количество накопленного осадка на мембранах с течением времени. Удаление органических осадков с поверхности мембран производится путем проведения химических промывок мембранных аппаратов.
На рисунке 11 показаны результаты экспериментов по проведению химических промывок мембранного аппарата щелочным раствором. Эффективность проведения промывки контролируется по значениям цветности (рисунок 11, а) и по значениям ХПК (рисунок 11, б).
03
г
м О
-I
м
Э
СО
к га г
I
, я £0 ^
и
I!
ас £
Ь га щ
СО а
О к
м
с т ш о
со I
< ч
со° ^со
О со со а * ш
и с ■ ■
с;«
цветность е единицах Хазена
0 1 2 3 4 время, час
Рис. 11. Определение эффективности удаления осадка органических веществ
при химической промывке:
а) зависимость цветности промывной раствора от времени;
б) зависимость ХПК промывного раствора от времени.
Целесообразно разделить концентрат установки очистки фильтрата ТКО на 2 потока: концентрат установки первой ступени нанофильтрации (содержит органические вещества, определяемые значением ХПК, двухвалентные ионы кальция, сульфаты) и концентрат установки второй ступени (содержит ионы аммония, хлориды, натрий, бикарбонаты) [8-10].
В таблице 2 представлены составы и расходы концентратов, получаемых в процессе обработки фильтрата ТКО. Концентрат первой ступени, содержащий органику, направляется на химическое осаждение, а концентрат второй ступени, содержащий смесь хлоридов натрия и аммония, может быть использован в качестве сырья для производства минеральных удобрений.
В результате обработки полученных экспериментальных результатов получены значения затрат:
- на электроэнергию (на основании полученных значений выхода фильтрата и рабочего давления);
- на замену мембран (на основании определенных значений площадей мембранной поверхности и количества использованных на каждой ступени мембранных аппаратов);
- на проведение химических промывок (на основании полученных значений скоростей осадкообразования и эффективности промывок).
Результаты определения эксплуатационных и приведенных затрат при очистке фильтрата полигона ТКО «Александров» с использованием традиционной технологии («кайзеровской схемы») и разработанной авторами реагентно-мембранной технологии, представлены в таблице 3.
Таблица 3.
Результаты определения эксплуатационных затрат при использовании различных технологий.
Технико-зкономическое сравнение технологий (* -с учетом сброса концентрата в тело полигона) Технология (автор)
Без реагентного осаждения (((Кайзер») С реагентным осаждением («Скворцов»)
1 Расход ф-таТБО м3/час 5,0 5,0
Расход очищенной воды м3/час 3,5 4,95
Расход концентрата м3/час 1,5 0,05
2 Стоимость оборудования, руб. руб. (К) 6 000 000 6 000 000
3 Электроэнергия Удельный расход, кВт ч/м3 Годовые затраты, руб. 10/14,5* 1400 000/ 2 200 000 3,3-4 700 000
4 Мембраны Кол-ео мембр. эл-тое 35/48* 30
Годовые затраты на замену мембран, руб. 245/340 * 210
5 Химические промывки Расход на 1 промывку, кг Кол-во промывок в год Годовые затраты на хим. промывки, руб. 75/100* 8 30000 60 4 120 000
6 Ингибитор Доза мл/мэ Годовой расход, кг Годовые затраты, руб. 10 350/500 * 70 0001000 000* -
7 Коагулянт/флокулянт Доза мл/м3 Годовой расход, кг Годовые затраты, руб.
ИТОГО: Годовые эксплуатац. Затраты (3), руб/год 3 070 000 1 530 000
Приведенные затраты: П = К * 1/Т +3, руб/год 4 070 000 2 530 000
На рисунке 12 представлены зависимости затрат на мембраны, электроэнергию и реагенты от выбранного значения коэффициента снижения объема для традиционной технологии (а) и разработанной реагентно-мембранной технологии (б).
1 — затраты на электроэнергию; 2 — затраты на замену мембран; 3 — затраты на химические промывки мембран; 4 — затраты на ингибитор образования малорастворимых солей; 5 — затраты на коагулянт/флокулянт; 6 — эксплуатационные затраты.
Полученный экономический эффект достигается за счет применения низконапорных мембран, снижения величины рабочего давления, уменьшения количества мембранных аппаратов и расхода реагентов на проведение химических промывок мембран.
Z м
О
-I
м
D CQ
к га i i , я «í а £0 ^
и
i!
ас Е
■J га
щ
Ю 11
О к ¡s
£¡s
с и ш о
ив i
< Ч 3 *
Utfl
О и со а * ш
и с
UL ■ ■
с;«
Эксплуатационные затраты, руб/год Эксплуатационные затраты, руб.'год
Рис. 12. Зависимость величин эксплуатационных затрат от К (для установки производительностью 100 м3/сутки): 1 — затраты на мембраны, ОО на 1 ступени; 2 — затраты на мембраны, НФ на 1 ступени; 3 — затраты на электроэнергию, ОО на 1 ступени; 4 — затраты на электроэнергию, НФ на 1 ступени; 5 — эксплуатационные затраты по 1 варианту (ОО на 1 ступени); 6 — эксплуатационные затраты по 2 варианту (НФ на 1 ступени); 7 — с учетом затрат на обработку осадка.
Выводы:
1. При обработке фильтрата ТКО с высокими значениями ХПК и общего солесодержания целесообразно использовать на первой ступени очистки нанофильтрационные мембраны, что позволяет сократить расход концентрата установки обратного осмоса.
2. Применение нанофильтрационных мембран существенно снижает величину эксплуатационных затрат при очистке фильтратов ТБО.
3. Для упрощения утилизации концентрата установки обратного осмоса целесообразно разделить концентрат на два потока: поток с содержанием органических веществ и поток с содержанием минеральных солей.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Hussein L., Abdel-Shafy, Mona S., Mansour M. Solid waste issue: Sources, composition, disposal, recycling and valorization // Egyptian Journal of Petrolium. — 2018. V. 27, Iss. 4. — P. 1275-1290.
2. Wiszniowski J., Robert D., Summer-Gorska J., Miksh K., Weber J.V. Landfill ieachate treatment methods: a review // Environ. Chem. Lett. — 2006. V. 4. -P. 51-61.
3. Sun W.Y., KangM.S., Yim S.K., ChoiK.H. Advances Landfill Leachate treatment Using an integrated membrane processes // Desalination. — 2002. V. 149. — P. 109-114.
4. Weber B., Holz F. Landfill Leachate Treatment by Reverse Osmosis. Elsevier Science Puplishers Ltd, England. Effective Industrial Membrane Processes — Benefits and opportunities. — 1991. — P. 143-154.
5. Chianese A., Ranauro R., Verdone N. Treatment of landfill leachate by reverse osmosis // Water Research. — 1999. V. 33, Iss. 3. — P. 64-652.
6. Ushikovski K., Kobayashi T., Uematsu K., Toji A., Kojima D., Matsumoto K. Leachate treatment by the reverse osmosis system // Desalination. — 2002. V. 150, Iss. 2. -P. 121-129.
7. Amokrane A., Comel C., Veron J. Landfill leachate pretreatment by coagulation-flocculation // Water Resources. — 1997. V. 31. — P. 2775-2782.
8. Скворцов Л.С., Варшавский В.Я., Камруков А.С., Селиверстов А.С., Николадзе Г.Я. Способ глубокой очистки высокотоксичным сточных вод и устройство для его осуществления. Патент 2099294 от 20.12.1997.
9. Потапов А.Д., Коныгин А.А. Новые возможности осветления интенсивно окрашенных полигонов ТБО при их обезвреживании с использованием известкового молока в присутствии солей кальция // Вестник МГСУ — 2013. Т .8. — С. 116-122.
10. Кофман В.Л. Очистка фильтрата полигонов хранения твердых бытовых отходов // Водоснабжение и санитарная техника. — 2010. №1-2. -С. 124-127.
11. Wilf M. The guidebook to membrane for wastewater reclamation. Balaban Desalination Publishing. — 2010. V.788.
12. Ширкова Т.Н., Спицов Д.В., Первов А.Г., Кирюшина М.С. Применение обратного осмоса для обработки фильтрата полигонов ТБО: удаление аммония // Инновации и инвестиции. — 2020. Т. 2. -С. 123-129.
13. Ширкова Т.Н., Первов А.Г. Технология обработки фильтратов полигонов ТБО с применением метода обратного осмоса // Строительство и техногенная безопасностью. — 2019. №17(69). — С. 185-194
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Л.С. Скворцов, А.В. Шептунов, Т.Н. Ширкова, А.Г. Первов. Комбинированная реагентно-мембранная технология очистки фильтратов полигонов хранения твердых бытовых отходов с утилизацией концентратов. — Системные технологии. — 2020. — № 36. — С. 23—39.
A HYBRID REAGENT-MEMBRANE TECHNIQUE TO TREAT LANDFILL LEACHATE AND UTILIZE CONCENTRATES
L.S. SKVORTSOV*, A.V. SHEPTUNOV**, T.N. SHIRKOVA***, A.G. PERVOV***
* RUSSIAN ACADEMY OF NATURAL SCIENCES, MOSCOW
** "QUANTUM TECHNOLOGY", MOSCOW
*** MOSCOW STATE UNIVERSITY OF CIVIL ENGINEERING (MGSU) NATIONAL RESEARCH UNIVERSITY, MOSCOW
z
м О
-I
м
D CD
Abstract.
A new approach to treat landfill leachate is described that consist of a combination of chemical deposition of impurities and reverse osmosis treatment. This technique features utilization of concentrate stream which is reduced to reach less than one per cent of initial leachate flow and withdrawn together with dewatered sludge with moisture value less than 80%. Experimental results are presented that enable us to determine membrane flux and rejection characteristics at different stages of membrane treatment. As it is shown, conventionally operated reverse osmosis facilities discharge concentrates that constitute 25-33 per cent of initial leachate flow and are returned back to landfill "body".
This causes an increase of operational costs of further landfill leachate purification. The presented technique of landfill leachate treatment provides purified water and dewatered sludge as well as provides economical evaluation of different approaches to treat leachate. An economical evaluation is presented to compare costs to treat leachate with and without reagent use. A new technique is proposed to reduce operational costs and radically decrease concentrate flow by the value less than 1-5 per cent of initial landfill leachate flow.
Key words:
municipal waste storage landfills; landfill leachate; reverse osmosis; nanofiltration; chemical deposition of organic impurities; reverse osmosis concentrates utilization. Date of receipt in edition: 02.10.20 Date o f acceptance for printing: 05.10.20
К
га
i
i
, я
•i Q M VO tfl ^
If
if
ac £
■J re I" Щ
M a О K
Is
с m ш о
3|
d I < 4
co°
3 *
Utfl
О со ca a
* Ш
и с
uL ■ ■
с;«
