CC BY
73
УДК 502.36
Очистка загрязнений на обратноосмотических мембранах с использованием ультразвуковых волн
К.В. Ладыгин
ЗАО «Безопасные Технологии», Российская Федерация, 197342, г. Санкт-Петербург, Красногвардейский пер., д. 15Д E-mail: ladygin@zaobt.ru
Тезисы. Подавляющий объем образующихся в РФ твердых бытовых отходов (ТБО) подлежит полигонному захоронению. Выделение из тела полигона токсичного жидкого фильтрата является серьезной экологической проблемой. В статье кратко проанализированы существующие технологии очистки обратноосмотических мембран от загрязнений. Одним из перспективных, но малоизученных методов воздействия на слой загрязнений на обратноосмотической мембране с целью его удаления является метод, основанный на использовании механических колебаний ультразвукового диапазона.
Целью проведенных исследований было изучение влияния ультразвуковой обработки обратно-осмотических мембран на их загрязнение в установках очистки зимнего фильтрата полигонов ТБО на лабораторном стенде. Одним из результатов исследований является экспериментально доказанная возможность увеличения периода непрерывной эксплуатации обратноосмотических мембран за счет постоянного ультразвукового сопровождения процесса фильтрации. Важным аспектом является сокращение использования реагентов при функционировании обратноосмотических систем и тем самым снижение воздействия на окружающую среду на всех этапах подготовки реагентов, их транспортировки, хранения, аварий и т.д.
Ключевые слова:
обратноосмоти-ческая мембрана, ультразвуковая обработка, установки очистки фильтрата.
В настоящее время подавляющий объем (97 %) образующихся в РФ твердых бытовых отходов (ТБО) подлежит полигонному захоронению. Ежегодно под полигоны в стране отводится более 11 тыс. га земли вблизи городов и населенных пунктов (без учета площади под санитарно-защитные зоны). Полигоны несут серьезную опасность для окружающей среды. Одной из причин такой опасности является выделение из тела полигона токсичной жидкости - фильтрата. Размер экологического бедствия следует оценивать от воздействия ~ 600 тыс. м3 фильтрата, ежегодно сбрасываемых по стране в подземные водоносные горизонты вблизи поселений. Фильтрат образуется в результате взаимодействия проникающих в полигон природных осадков с ТБО и продуктами его анаэробного разложения. При таком взаимодействии осадки обогащаются токсичными органическими и неорганическими соединениями. Особенностями этих соединений являются их сложный состав и высокая стабильность.
Из опубликованных данных следует, что в мире имеются три группы способов очистки токсичного фильтрата:
• биологическая очистка фильтрата на полигонах для предварительно отсортированных ТБО в странах с умеренно теплым влажным климатом;
• физико-химическая очистка фильтрата на полигонах для сортированных ТБО в странах с умеренно теплым влажным климатом;
• канализование - сброс в канализацию фильтрата для последующей совместной очистки его с хозяйственно-бытовыми стоками (при наличии сетей и других условий) в количествах не более 5 % объема хозяйственно-бытовых стоков.
Анализ существующих зарубежных технологий очистки фильтрата, реализуемых на полигонах предварительно отсортированных ТБО в Австрии, Германии, США, Японии, а также отечественного опыта показал, что для этих целей можно использовать различные методы: биохимические (денитрификация, нитрификация с использованием активного ила и прикрепленной микрофлоры) и физико-химические (коагуляция, флокуляция, сорбция, микро- и ультрафильтрация, обратный осмос, озонирование, электрохимическое окисление, ультрафиолетовое излучение).
В России практически отсутствует сортировка депонируемых ТБО с целью выделения из них опасных фракций (на захоронение поступают изделия строительной и бытовой химии, парфюмерия, лекарственные препараты и пр.), что в свою очередь исключает возможность очистки фильтрата перечисленными технологическими приемами, характерными для большинства европейских стран, так как в результате неконтролируемых химических реакций в фильтрате возникают стойкие токсичные соединения.
Наилучшие отечественные многостадийные технологические схемы очистки фильтрата с высоким содержанием органических и неорганических взвесей, ионов и соединений тяжелых металлов, высокотоксичных хлор- и фос-форорганических соединений, патогенной микрофлоры при сезонной нестабильности химического состава фильтрата пока привели только к достижению нормативов для стоков культурно-бытового назначения. При этом степень очистки фильтрата сильно зависит от сезонного количества осадков, т.е. от концентрации опасных компонентов, продолжительности сезона с плюсовыми температурами окружающей среды и уровня температур.
Таким образом, ни одна из известных на сегодня технологий очистки фильтрата полигонов ТБО, применяемых в развитых странах, не может быть применена там, где не используется селективный сбор ТБО: в России, странах Юго-Восточной Европы, Южной Америки, Азии и других странах. В России фильтрат полигонов ТБО представляет собой многокомпонентную токсичную жидкость, у которой химическое и биологическое потребление кислорода (в частности, БПК5) превышает 40000. Для увеличения степени очистки до норматива, позволяющего сброс на ландшафт фильтрата, необходимы дополнительные стадии очистки. В качестве такой финишной стадии наиболее эффективно применение фильтрации с использованием мембран обратного осмоса. Однако содержание загрязнений в фильтрате столь велико, что период работы мембраны без периодической ее очистки не превышает нескольких недель. Для продления срока службы обрат-ноосмотических мембран фильтрат подвергают предварительной многостадийной физико-химической очистке, но и после этого период эффективной работы мембраны не превышает 2-4 месяцев в теплое время года и одного
месяца - зимой. Так как важным требованием, предъявляемым к технологическому процессу и оборудованию, работающему на полигоне захоронения ТБО, является его ресурс безостановочной работы не менее одного года, весьма актуальной является задача исследования и разработки эффективных методов очистки обрат-ноосмотических мембран в установках очистки фильтрата полигонов захоронения несортированных ТБО.
Рассмотрим существующие технологии очистки обратноосмотических мембран от загрязнений.
Гидродинамические способы очистки включают в себя смыв из напорного канала концентрационного поляризационного слоя сильной струей воды, газожидкостной эмульсией, пульсирующим потоком, обратную промывку пермеатом [1]. По сравнению с химическими методами очистки гидродинамические проще и дешевле. К сожалению, с их помощью удается удалить только концентрационный поляризационный слой, который не связан с мембраной [2]. Химические методы сравнительно дороги, сопряжены с расходом химических реагентов и образованием сточных вод, могут приводить к сокращению срока службы мембран, особенно с невысокой химической стойкостью. Тем не менее данные методы широко применяются, поскольку зачастую являются единственно эффективными. Для организации химической промывки установки обратного осмоса оснащаются промывной системой, что удорожает и усложняет технологический процесс.
При проектировании установок обратного осмоса способы предочистки обрабатываемого раствора и методы очистки мембран от загрязнений должны выбираться в такой совокупности, чтобы обеспечить минимальную стоимость процесса разделения. Экономия на пред-очистке неизбежно ведет к увеличению затрат на промывку мембран. В настоящее время считается, что оптимальные затраты на предобработку должны составлять не менее 40-60 % от всех затрат на разделение исходного стока с применением обратного осмоса [3]. Обычно, чтобы выполнить химическую очистку мембран, установку останавливают, обратноосмо-тические мембраны демонтируют и помещают в специальную промывочную машину - установку химической промывки, в которой и происходит их очистка [4].
Таким образом, наиболее распространенные химические и гидродинамические методы очистки обратноосмотических мембран позволяют эффективно восстанавливать их фильтрующую способность в различных технологических процессах. Однако недостатком указанных методов является необходимость в периодической остановке технологических процессов и очистных сооружений для реагентов ввода, разрушающих загрязнения.
Одним из перспективных, но малоизученных физических методов воздействия на загрязнение обратноосмотических мембран с целью его удаления является метод, основанный на использовании механических колебаний ультразвукового диапазона - так называемых ультразвуковых (УЗ) колебаний. Наиболее успешно УЗ-колебания используются в процессах, связанных с жидкими состояниями реагентов, поскольку только в них возникает специфический процесс - УЗ-кавитация, обеспечивающий максимальные энергетические воздействия на различные вещества. В зависимости от параметров
ультразвуковой обработки воздействие УЗ-колебаний на процессы в жидких средах позволяет ускорить растворение, обезжиривание, дегазацию, измельчение, пропитку, эмульгирование, экстрагирование, кристаллизацию, полимеризацию; предотвратить образование накипи, гомогенизацию, эрозию, химические и электрохимические реакции; увеличить выход полезных продуктов (например, экстрактов) и придать им дополнительные свойства (например, биологическую активность и стерильность); получить новые вещества (например, тонкодисперсные эмульсии и суспензии), а также интенсифицировать технологические процессы (сварку металлов и полимерных материалов, склеивание и др.).
Стоит отметить, что ни экспериментальных, ни теоретических исследований по ультразвуковой очистке фильтрата полигонов твердых бытовых отходов в литературе не обнаружено.
В рамках исследования механизмов загрязнения поверхности мембран и разработки способов противодействия образованию
Рис. 1. Схема лабораторного экспериментального стенда для исследования технологии УЗ-очистки обратноосмотических мембранных элементов
загрязнений и ликвидации загрязнения мембран был создан лабораторный экспериментальный стенд. Стенд оснащен электронными приборами контроля и измерений, данные от которых получает программируемый логический контроллер. Он имеет интерфейс обмена информацией с персональным компьютером, что позволяет записывать и обрабатывать все данные, полученные от контрольно-измерительных приборов.
Как показано на рис. 1 и 2, стенд состоит из основания, на котором закреплены три емкости объемом 60 л, два насоса мощностью 2,2 кВт, три мембранных блока, состоящих из корпуса и мембраны, блок контроля расхода, состоящий из шести ротаметров, блоки управления и питания.
Исследование проводилось в рамках государственного контракта № 16.525.11.5003 от 25.05.2011 по теме «Разработка новой комплексной опытно-промышленной технологии для обеспечения нормативной экологической безопасности высоконагруженного полигона захоронения органосодержащих отходов производства и потребления и его санитарно-защитной зоны».
Общая схема установки для глубокой круглогодичной очистки фильтрата полигона несортированных ТБО представлена на рис. 3.
Рис. 2. Лабораторный экспериментальный стенд
Расчетно-теоретический анализ процесса разрушения концентрационного поляризационного слоя загрязнений у обратноосмоти-ческой мембраны показал, что в области параметров проведенных экспериментов существуют технически реализуемые диапазоны амплитудно-частотных ультразвуковых воздействий, обеспечивающих разрушение слоя загрязнений. Экспериментально установлено наиболее эффективное сочетание ультразвукового воздействия и физико-химических методов очистки фильтрата полигона захоронения несортированных ТБО. Определены режимы удаления загрязнений рулонных обрат-ноосмотических мембран при ультразвуковом воздействии на частоте 12-24 кГц, с амплитудой колебаний от 1,0 до 5,0 мкм, после длительной работы (более 10 ч). При этом периодическая очистка загрязненных мембран длится 1-6 мин.
Неоспоримым преимуществом данного технологического решения является исключение использования серной кислоты, щелочных моющих средств, ингибиторов и, соответственно, отсутствие необходимости в обращении с данными веществами.
Стоит отметить, что срок службы обратно-осмотических мембран для очистки зимнего фильтрата для климатических условий средней полосы России составляет один сезон, а это в два-три раза ниже заявляемых фирмами параметров, определенных по летнему фильтрату в странах Европы.
Как следует из обобщения результатов экспериментов в виде соотношений между безразмерными комплексами, основными факторами, влияющими на удаление загрязнений с поверхности обратноосмотических мембран при финишной очистке фильтрата полигона ТБО, являются гидродинамические эффекты воздействия УЗ-колебаний. Разработанная гидродинамическая модель воздействия УЗ-колебаний на концентрационный поляризационный слой у мембраны качественно верно отражает процесс его турбулизации.
Созданная установка глубокой круглогодичной очистки фильтрата на полигоне, включающая реагентную и электрохимическую обработку до нормативов водоемов культурно-бытового назначения, предназначена для применения в составе основного оборудования многостадийного химико-технологического процесса обезвреживания фильтрата полигонов.
Рис. 3. Общая схема установки для глубокой круглогодичной очистки фильтрата полигона
несортированных ТБО
Рис. 4. Системы очистки стоков полигона ТБО, г. Адлер
Очищенный фильтрат полигона может частично использоваться для орошения полигона с целью ускорения гидролизных процессов, способствующих ферментации, а также во избежание пыления и возгорания, а частично направляться в пруд-испаритель для испарения, при этом осадок после обезвреживания возвращается в тело полигона.
Внедрение подобной технологии очистки фильтрата позволит повысить безопасность полигонов для окружающей среды.
Проведенные при проектировании опытно-промышленной технологии технико-экономические расчеты показали, что выбранная для достижения норматива схема с разделением потоков здесь наиболее экономична.
Конструкция установки для очистки об-ратноосмотической мембраны ультразвуковым воздействием разработана и защищена патентом РФ (положительное решение от 01.11.2013 по заявке на изобретение № 2012151551 от 03.12.2012).
Полученные результаты могут быть использованы при модернизации действующих и проектировании новых схем очистки фильтрата полигонов ТБО, включающих блоки обратного осмоса и ультразвуковой очистки мембран.
Результаты работы апробированы на опытно-промышленной установке очистки фильтрата полигонов ТБО «Дмитровский» (Дмитровский р-он, Московская обл.), в г. Сочи (Адлерский р-он, Краснодарский край),
Астраханском, полигоне ТПБО (твердых промышленных и бытовых отходов «Саларьево»
(д. Саларьево, Московская обл.) (рис. 4).
***
Полученные результаты могут быть использованы при модернизации действующих и проектировании новых схем очистки фильтрата полигонов ТБО, включающих блоки обратного осмоса и ультразвуковой очистки мембран. В настоящее время данное решение также реализуется в рамках проекта «Комплекс по переработке строительных отходов и ТБО» для космодрома «Восточный», где предусмотрена технологическая стадия, основным функционирующим оборудованием которой является станция очистки загрязненных стоков - СОС-120.З.О производительностью 120 м3/сут. Установка, в основе которой лежит технология обратного осмоса, позволит осуществлять очистку сточных (инфильтрационных) вод от дегидратора и фильтрата золошлакоотвала, образующихся в процессе обезвоживания иловых осадков, тем самым обеспечивая эффективную и непрерывную эксплуатацию всего Комплекса.
Список литературы
1. Когановский А.М. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении / А.М. Когановский. - М.: Химия, 1983. - 123 с.
2. Карелин Ф.Н. Обессоливание воды обратным осмосом / Ф.Н. Карелин. - М.: Стройиздат, 1988. - 208 с.
3. Пат. 2148427 Российская Федерация, 7 В 01 Б 63/16. Мембранный аппарат
с погружным фильтрующим элементом / Кретов И.Т., Антипов С.Т., Шахов С.В., Ключников А.И., Черемушкина И.В., Рязанов А.Н.; заявитель и патентообладатель Воронежский технол. ин-т. - № 98119005/28; заявл. 20.10.1998; опубл. 10.05.2000, Бюл.
4. Пат. 1807883 СССР, МПК В 01 Б 63/16. Аппарат для ультрафильтрации и обратного осмоса / Волков С.В., Шахов С.В., Антипов С.Т.; заявитель и патентообладатель Воронежский технол. ин-т. - № 4934360; заявл. 05.05.1991; опубл. 07.04.1993.
Ultrasonic cleaning of the fouled RO membranes
K. Ladygin
Safe Technologies CJSC, Bld. 15D, Krasnogvardeyskiy lane, St. Petersburg, 197342, Russian Federation E-mail: ladygin@zaobt.ru
Abstract. At the moment, the great bulk of the generated MSW in Russia is deposited at landfills. The landfill body bleeds landfill leachate, which is a serious threat to the environment and is subject to treatment (cleaning). In this article the existing methods of the RO membranes defouling are analyzed. One of the less studied methods of RO sedimentation removal is exposing it to the mechanical oscillation of ultrasonic waves.
The present study focuses on the effect of ultrasonic processing of the fouling of RO membranes used in winter leachate cleaning at the lab test rack. It was experimentally proved that continuous exposing of the RO membranes to ultrasonic waves increases their continuous operation period. It is important to scale down the use of the chemical reagents in operating RO systems resulting in lessening environmental impact on all reagent shipment, storage and preparation stages.
Keywords: ultrasonic cleaning of RO membranes, reverse osmosis membrane, leachate cleaning stations, ultrasonic processing.
References
1. KOGANOVSKIY, A.M. Purification and reuse of waste waters in the industrial water supply [Ochistka i ispolzovaniye stochnykh vod v promyshlennom vodosnabzhenii]. Moscow: Khimiya, 1983. (Russ.).
2. KARELIN, F.N. Desalinization of water by the reverse osmosis [Obessolivaniye vody obratnym osmosom]. Moscow: Stroyizdat, 1988. (Russ.).
3. VORONEZH STATE TECHNOLOGICAL ACADEMY. Membrane apparatus with a dipping filtering element [Membrannyy apparat s pogruzhnym filtruyushchim elementom]. Inventors: KRETOV, I.T., S.T. ANTIPOV, S.V. SHAKHOV et al. 20 October 1998. Appl.: 10 May 2000. RU 2148427.
4. VORONEZH TECHNOLOGICAL INSTITUTE. Apparatus for ultrafiltration and reverse osmosis [Apparat dlya ultrafiltratsii i obratnogo osmosa]. Inventors: VOLKOV, S.V., S.V. SHAKHOV, S.T. ANTIPOV. 7 April 1993. Appl.: 5 May 1991. SU 1807883.
