Мембранное разделение активного ила и сточных вод Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

В.А. Ткачев, канд. техн. наук, доцент, А.В. Ромашко Харьковская национальная академия городского хозяйства

МЕМБРАННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ АКТИВНОГО ИЛА

И СТОЧНЫХ ВОД

В настоящее время применение мембран для очистки сточных вод является эксклюзивным решением и поэтому не распространено на территории России, Украины и других странах СНГ. Считается, что применение мембран для очистки сточных вод - дорогостоящее и неоправданное решение. Настоящая статья призвана показать предвзятость такого подхода. Применение микрофильтрационных мембран для отделения от жидкости частиц с размером от 0,1 до 10 мкм было предложено еще в 1922 году ученым Зигмонди [1]. С тех пор технология очистки сточных вод развивалась и дополнялась и в настоящее время существенно отличается от методов предыдущего века. Это отражается в использовании мембран на разных этапах очистки природных и сточных вод.

Исследования по мембранному разделению активного ила и сточных вод начались в России в 2003 г. в институте ВОДГЕО на лабораторных стендах. В 2005 году на очистных сооружениях г. Подольска (Московской обл.) была смонтирована пилотная установка для очистки сточных вод [2]. Авторы статьи [2] показали преимущества применения мембран для очистки сточных вод, но не затронули стоимостные показатели применения описанной технологии.

Одним из преимуществ использования керамических мембран для разделения активного ила и сточных

вод, как доказано в статье [3], является отсутствие взвешенных веществ в очищенных сточных водах, хотя авторы не указывают ни одного экономического показателя работы мембранных установок.

Поэтому цель данной статьи - выполнение технико-экономического сравнения общепринятой схемы полной биологической очистки сточных вод со схем ой с применением мембран.

Факультет инженерной экологии гор одов Харьковской национальной академии городского хозяйства при содействии проектного института «Энергокоммунпро-ект» (г. Харьков) провели сравнение стоимости очистки сточных вод по общепризнанной схеме с биологической очисткой и очистки с использованием мембран для разделения активного ила и сточных вод. Чтобы данное сравнение не было отделено от реальных условий очистки сточных вод, расчеты были проведены на условия работы птицефабрики «Курганский бройлер» Харьковской области.

Сточные воды предприятия формируются от убойного цеха птицы, производственных цехов, котельной, столовой, бытовых и душевых помещений. Расчетный расход сточных вод был принят постоянным в течение года - 1200 м3/сут. На птицефабрике предусмотрена станция предварительной очистки сточных вод, после которой качество воды следующее -таблица 1.

Таблица 1

Качество поступающих сточных вод

№№ Наименование показателя Ед. изм. Показатель

1 Взвешенные вещества мг/дм3 1100

2 бпк5 мгО2/дм3 1450

3 Азот аммонийный мг/дм3 50

4 Азот общий мг/дм3 170

5 ХПК мгО/дм3 2300

6 Общий фосфор мг/дм3 до 65

Сточные воды должны быть очищены до качества, позволяющего сбросить их после очистки в реку Се-верский Донец. Учитывая нормативы на сброс в водоемы Украины, качество сточных вод после очистки должно быть следующее - таблица 2.

Таблица 2

Качество сточных вод, допустимое к сбросу в реку

№№ Наименование показателя Ед. изм. Показатель

1 Взвешенные вещества мг/дм3 до 15

2 бпк5 мгО2/дм3 до 20

3 Азот аммонийный мг/дм3 до 10

4 Азот общий мг/дм3 до 16

5 ХПК мгО/дм3 до 80

6 Общий фосфор мг/дм3 до 2

Сравнению подлежат две схемы очистки сточных вод - общепринятая схема и с применением мембран для разделения активного ила и очищаемой воды. По этим двум схемам сточные воды последовательно проходят усреднение, механическую, биологическую очистку, доочистку (только для первой схемы) и обеззараживание. Обработка осадка производится в аэробных минерализаторах и заканчивается его механическим обезвоживанием.

Согласно первой схеме сточные воды усредняются как по расходу, так и по концентрациям загрязнений в усреднителе объемом 800 м3/сут. Усредненные сточные воды подаются двумя насосами в биокоагулятор, где смешиваются с избыточным активным илом. Применение биокоагулятора согласно СНиП 2.04.03-85 Канализация. Наружные сети и сооружения [4] позволяет увеличить эффективность удаления в первичных отстойниках (по БПКполн и содержанию взвешенных веществ) на 25%. После биокоагулятора сточные воды осветляются в первичных отстойниках. Общая площадь поверхности отстойников 32 м2. Осветленные сточные воды самотеком поступают в аэротенки с продленной аэрацией. Общий объем аэротенков составляет 3600 м3. Время пребывания сточных вод в аэротенке - 3 суток, доза ила - 2 г/дм3. Воздух в аэротенки предусматривается подавать в количестве 3800 м3/час (расчет произ-

веден на использование аэрационной системы НПФ «Экотон» (г. Белгород) с мелкопузырчатой аэрацией) от двух воздуходувок типа ТВ-50-1,6, устанавливаемых в новом здании. В аэротенке предусмотрено дозирование коагулянта Fe2 (SO) для удаления фосфатов до требуемой концентрации. Для удаления соединений азота в аэротенке выделяются зоны нитри-денитрификации, а также предусматривается рециркуляция активного ила - внутренний и наружный рециклы. При внутреннем рецикле смесь сточных вод и активного ила из конца зоны денитрификации направляется в начало зоны нитрификации, а при наружном рецикле (из вторичных отстойников) - в начало зоны нитрификации. Это позволяет достичь удаления азота более чем на 70%. Насосы предложены производства фирмы ABS. Отделение активного ила от воды производится во вторичных отстойниках, общая площадь поверхности отстаивания которых равна 50 м2. Для достижения качества сточных вод по показателям, приведенным в таблице 2, предусматривается доочистка в биореакторах с загрузкой носителями прикрепленной микрофлоры производства НПФ «Экотон». Общий объем биореакторов составляет 60 м3.

Обеззараживание сточных вод предусмотрено на двух ультрафиолетовых установках типа ОС-5А производства НПО «ЛИТ», г. Москва. В расчетах себестоимости очистки 1 м3 сточных вод учитывались затраты на обработку осадка, которая заключается в аэробной стабилизации и механическом обезвоживании на ленточном фильтр-прессе ПЛ-8 производства НПФ «Экотон». Площадь аварийных иловых площадок составляет 0,23 га.

Качество воды после описанной схемы очистки показано в таблице 3.

Таблица 3

Качество сточных вод после очистки по первой схеме

№№ Показатель Ед. изм. Значение на выходе

1 Взвешенные вещества мг/дм3 до 10

2 ХПК мгО/дм3 до 80

3 БПКполн мгО2/дм3 до 10

4 рН ед. 6,5 - 8,5

5 Азот аммонийный мг/дм3 до 1,5

6 Азот общий мг/дм3 до 15

7 Фосфор общий мг/дм3 до 1,5

После усреднителей, описанных в предыдущей схеме, сточные воды поступают в трубчатые смесители для смешения с коагулянтом Гв2 (БО) . Осаждение фосфатов и взвешенных веществ происходит в первичных отстойниках с площадью поверхности отстаивания 32 м2. Применение смесителей перед отстаиванием позволяет увеличить эффект отстаивания до 70%. Далее сточ-

ные воды поступают на биологическую очистку, состоящую из зон предварительной денитрификации, нитрификации и окончательной денитрификации. Общий объем аэротенков составляет 1160 м3. Благодаря мембранным модулям в аэротенке поддерживается концентрация активного ила 12 г/дм3. Аналогично первой схеме осуществляется рециркуляция смеси сточных вод и активного ила. Отделение активного ила от сточных вод производится в мембранных резервуарах, в которых устанавливается в каждый резервуар по 40 кассет ZeeWeed®500d производства фирмы Zenon. Объем емкостей составляет 40 м3. Расчет необходимого количества кассет проведен согласно источнику [5]. Мембранные модули и автоматическая система управления и контроля процессов очистки сточных вод предусмотрено комплектации фирмы Zenon. Обеззараживание сточных вод осуществляется на ультрафиолетовых установках ОС-5А. Обработка осадка подробно описана в первой схеме.

Качество сточных вод после очистки с использованием мембран приведено в таблице 4.

Таблица 4

Качество сточных вод после очистки по второй схеме

№№ Показатель Ед. изм. Значение на выходе

1 Взвешенные вещества мг/дм3 до 5

2 ХПК мгО/дм3 до 40

3 БПКполн мгО2/дм3 до 5

4 рН ед. 6,5 - 8,5

5 Азот аммонийный мг/дм3 до 1

6 Азот общий мг/дм3 до 10

7 Фосфор общий мг/дм3 до 0,5

Анализ таблиц 3 и 4 показывает, что при очистке сточных вод с применением мембран качество воды значительно лучше, чем при очистке по первой схеме. В частности, содержание общего и аммонийного азота при схеме с мембранами ниже в 1,5 раза; БПКполн, содержание взвешенных веществ и ХПК - в 2 раза, а общего фосфора - в 3 раза меньше, чем при очистке по первой схеме. Объем емкостей биологической очистки при использовании мембран уменьшается более чем в 3 раза: с 3660 м3 (с учетом доочистки) до 1160 м3. Высокая степень автоматизации очистки с использованием мембран позволяет выбрать оптимальный режим работы, варьировать параметрами очистки при изменениях расхода сточных вод или концентрации загрязнений, контролировать процесс биологической очистки с выводом автоматической световой и звуковой сигнализации при возникновении аварийных ситуаций. При увеличении эффективности очистки сточных вод повышается эффективность работы ультрафиолетовых установок.

Учитывая перечисленные преимущества, при расчетах себестоимости очистки 1 м3 сточных вод оказалось, что очистка по общепринятой схеме незначительно дешевле технологии с применением мембран для разделения активного ила и воды, как показано в таблице 5.

Таблица 5

Себестоимость очистки по двум схемам

Себестоимость очистки 1 м сточных вод, $ Общепринятая схема Схема с мембранами

0,91 1,02

В расчетах себестоимости очистки учитывались годовые расходы на реагенты, электроэнергию, питьевую воду, зарплату, социальные нужды, природный газ, налог на землю, амортизационные отчисления, текущий ремонт.

Капитальные затраты при очистке сточных вод с использованием мембран на 15% дороже общепринятой схемы.

Выводы

Выполнено сравнение двух схем очистки сточных вод птицефабрики: общепринятой биологической очистки и технологии с использованием мембран для разделения активного ила и сточных вод. Себестоимость очистки при последнем методе незначительно превышает стоимость очистки 1 м3 сточных вод по общепринятой схеме (соответственно 0,91 и 1,02 за 1 м3). Капитальные затраты выше на 15% при использовании мембран, но они компенсируется такими преимуществами, как лучшее качество очистки сточных вод, стабильность работы ввиду полной автоматизации процесса очистки, наличие сигнализации при возникновении аварийной ситуации, а также эффективная работа ультрафиолетовых установок. Учитывая перечисленные выше преимущества использования мембран, модернизация схемы биологической очистки с их применением имеет перспективу развития как на Украине, так и за рубежом.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шапочник В. А. Мембранные методы разделения смесей веществ // www.pereplet.ru

2. Швецов В. Н., Морозова К. М., Киристаев А. В., Климов В. А. и др. Биомембранные технологии для очистки сточных вод // В журн. «Экология производства», 2006, №5, с. 69 - 72.

3. Герасимов Г. Н. Мембранный биологический реактор БЯМ® / / В журн. «Водоснабжение и санитарная техника», 2004, №4, ч. 1, с. 43 - 47

4. СНиП 2.04.03-85 Канализация. Наружные сети и сооружения. - М.: Стройиздат, 1986. - 73 с.

5. Брок Т. Д. Мембранная фильтрация. - М.: Мир, 1987. - 462 с.