CC BY
7
Разработка технологической схемы реконструкции водопроводных очистных сооружений на базе устройства для осветления промывных вод с водовоздушной промывкой мембранного модуля и ее обоснование
М.А. Лазурина
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный
университет
Аннотация: В настоящей статье приводятся результаты научно-исследовательской работы, посвященной применению ультрафильтрационных мембран в технологии очистки природных вод и промывных вод блока контактных осветлителей, а также разработанные на их базе проектные предложения по реконструкции существующих водопроводных очистных сооружений.
Ключевые слова: мембранная технология, ультрафильтрация, мембранный модуль, технология очистки природных и промывных вод, водопроводные очистные сооружения, патентные исследования.
В технологии очистки воды находят широкое применение различные устройства для осветления промывных вод фильтровальных сооружений. Выбор конструкции производится на основании требуемой производительностью установки, особенностей воды, подвергаемой очистке и экономических соображений [1].
В настоящее время в процессах водоподготовки широко используется мембранная технология. Установки с мембранными модулями обладают большей компактностью, нежели традиционное оборудование очистных сооружений. Причем качество прошедшей обработку воды в течение всего периода сохраняется на стабильно высоком уровне [2].
Мембранные методы водоочистки заключаются в пропуске исходной воды через полупроницаемую мембрану, в результате чего исходная вода разделяется на два потока: фильтрат (очищенная вода) и концентрат (сконцентрированный раствор примесей). Фильтрат подается потребителю, а концентрат сливается в дренаж.
Для удаления примесей из воды используются пористые мембраны. Данный тип мембран классифицируют по размеру задерживаемых частиц на
следующие типы: микрофильтрационные мембраны (размер пор 0,1 - 1,0 мкм); ультрафильтрационные мембраны (размер пор от 0,01 до 0,1 мкм); нанофильтрационные мембраны (размер пор от 0,001 до 0,01 мкм); обратноосмотические мембраны (размером пор менее 0,001 мкм).
При переходе от микрофильтрации к обратному осмосу размер пор мембраны уменьшается и, следовательно, уменьшается минимальный размер задерживаемых частиц. При этом, чем меньше размер пор мембраны, тем большее сопротивление она оказывает потоку и тем большее давление требуется обеспечить для процесса фильтрации [3].
Наибольшее распространение в технологии очистки воды получил процесс ультрафильтрации, который может проводиться в напорном или вакуумном режиме. Причем, каждый режим предполагает соответствующее аппаратурное оснащение и конструкцию мембранных модулей. В отличие от напорной, применение вакуумной ультрафильтрации возможно для обработки природной воды с большим содержанием нерастворенных примесей [4]. Именно вакуумная ультрафильтрация позволяет использовать мембранные технологии вместо традиционных двухступенчатых схем осветления и обесцвечивания воды в составе: отстойники - зернистые фильтры.
В 2009 г кафедрой водоснабжения (ныне кафедра водопользования и экологии) ФГБОУ ВО «СПбГАСУ» совместно с ЗАО «НПП Биотехпрогресс» было разработано «Устройство для осветления промывной воды микрофильтров и уплотнения осадка» на базе мембранного модуля фирмы «МОТИМО» и был получен патент на полезную модель «Устройство для осветления промывных вод» [5]. Его общий вид приведен на рис.1.
Рис. 1. - Общий вид устройство для осветления промывных вод
На основе указанного устройства в 2010 г. была изготовлена опытная установка промышленного масштаба и проведены экспериментальные исследования (Гусаковский В.Б., Барсегян Э.М.) по очистке промывных вод блока контактных осветлителей БКО-1 на ЮВС ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга».
Рис. 2. - Общий вид установки Проведенные исследования показали высокую эффективность очистки промывных вод блока контактных осветлителей [6]. Также обоснованы возможность и целесообразность применения погружных мембран для обработки промывных вод фильтровальных сооружений: в одном аппарате осуществляется глубокое осветление промывной воды, осаждение примесей
и их уплотнение. Глубокое осветление промывной воды позволяет использовать ее в дальнейшем для промывки фильтров основной технологии и, тем самым, создать оборотную систему [7]. Отметим, что потери воды составляют не более 10% общего расхода промывных вод и имею место исключительно на этапе обезвоживания осадка. При этом сокращается объем воды, забираемой из источников водоснабжения и, как следствие, объем сбрасываемых стоков [8].
Рис. 3. - Начало процесса фильтрования
Рис. 4. - Конец процесса фильтрования
Рис. 5. - Промывка мембранного модуля (слева) и осаждение смытых
примесей (справа)
Рис. 6. - Осадок при отстаивании промывной воды без фильтрования через мембранный модуль (слева) и после промывки модуля (справа)
Результаты анализа качества воды приведены ниже в таблице 1.
Таблица № 1
Результаты анализа качества воды после установки
Показатель Единицы измерения Исходная вода Вода после установки
Мутность мг/дм3 2,9 <0,2
Цветность град 29 8
Запах при 20о Балл 0 0
Запах при 60о Балл 0 0
Железо общее мг/дм3 0,06 <0,05
Окисляемость перманганатная мг/дм3 7,6 3,2
Водородный показатель (рН) Ед. рН 7,6 7,1
Щелочность общая мг-экв/дм - 0,44
Остаточный хлор мг/дм3 - <0,3
Аммиак и ионы аммония мг/дм3 <0,10 <0,08
Алюминий мг/дм3 - 0,038
Колифаги БОЕ/(100 см3) - н/о
Общее микробное число КОЕ/см3 47 1
Общие колиформные бактерии КОЕ/(100 см3) 1375 н/о
Споры сульфитредуцирующих "5 клостридий, КОЕ/20 см КОЕ/(20 см3) 2 н/о
Термотолерантные колиформные бактерии КОЕ/(100 см3) 625 н/о
При фильтровании промывной воды через мембраны без дополнительной реагентной обработки мутность фильтрата не превышала 0,5 мг/л, цветность - 8 град, содержание остаточного алюминия - 0,05 мг/л, что соответствует требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения».
В последствии были проведены патентные исследования на тему: «Устройство для осветления промывных вод с водовоздушной промывкой мембранного модуля». Исполнители: Гусаковский В.Б., Вуглинская Е.Э., Лазурина М.А.
Сохраняя достоинства прототипа, предложенное устройство позволяет осуществлять высокоэффективную отмывку мембран от задержанных примесей, вынося их из пучка мембран. Это исключает кольматацию межмембранного пространства и обеспечивает достаточную длительность фильтроцикла, что также позволяет снизить расход воды на промывку мембранного модуля. Устройство дает возможность практически полностью автоматизировать работу установки осветления промывной воды, уплотнения и обезвоживания осадка [9].
Общий вид устройства для осветления промывных вод с водовоздушной промывкой мембранного модуля приведен на рис.7, где введены следующие обозначения: 1 - корпус; 2 - прямоугольная часть корпуса 1 с вертикальными стенками; 3 - пирамидальное днище; 4 - зона накопления и уплотнения осадка; 5 - модуль вакуумной мембранной установки; 6 - устройство для автоматического управления работой установки; 7 - датчики уровня; 8 - питающий патрубок; 9 - трубопровод для отвода осветленной воды; 10 - патрубок для отвода осадка; 11 - емкость осветленной воды; 12 - насосы; 13 - воздушная распределительная трубчатая система; 14. компрессор.
Рис. 7. - Устройство для осветления промывных вод с водовоздушной промывкой мембранного модуля
На основе «Устройства для осветления промывной воды с водовоздушной промывкой мембранного модуля» с ранее доказанной экспериментальным путем эффективностью осветления промывных вод фильтровальных сооружений, разработано «Комбинированное сооружение с мембранным модулем для осветления и обесцвечивания природных вод».
Рис. 8. - Комбинированное сооружение с мембранным модулем для осветления и обесцвечивания природных вод
Технологическая схема водоподготовки, помимо данного сооружения, предусматривает в своем составе узел коагуляции и флокуляции для подготовки примесей природных вод к их извлечению, а также обезвоживание осадка с использованием барабанного сгустителя и мешковой сушилки [10].
Применительно к реконструкции ВОС п. Савино, Новгородской обл. разработаны проектные предложения с использованием данного сооружения. Источником водоснабжения является река Вишера и 2 скважины. Анализ качества воды показывает, что исходная вода не соответствует требованиям по следующим показателям: мутность, цветность, окисляемость, нефтепродукты, железо и марганец. Основную проблему создает высокая
"5
цветность (450-81 град) и окисляемость (72,2-24,8 мгО2/дм3).
Показатели качества воды, поступающей на ВОС (смесь воды р. Вишера и подземного источника), приведены в таблице 2.
Таблица № 2
Показатели качества исходной воды
№ п/п Показатели Единицы измерения Исходная вода, макс - мин Норматив
1 Мутность мг/дм3 48-5,5 1,5
2 Цветность град 450-81 20
3 Окисляемость мгО2/дм 72,2-24,8 5
4 рН единицы рН 8,2-6,3 6-9
5 Жесткость мг-экв/ дм 6,45-0,7 7
6 Сухой остаток мг/дм3 594-144,5 1000
7 Нефтепродукты мг/дм3 0,32-0,05 0,1
8 Fe мг/дм3 8,25-0,86 0,3
9 Mn мг/дм3 0,56-0,063 0,1
Проектом предусматривается разработка технологической схемы водоподготовки на базе проведенных научных исследований: предложена новейшая мембранная технология с использованием вакуумных ультрафильтрационных мембран. Исходная вода подается в контактный резервуар, где вводится коагулянта и происходит первичное хлорирование. Далее, самотеком вода подается на блок устройств с мембранными модулями, а затем насосом подается на сорбционные фильтры для извлечения из воды трудно окисляемых примесей, а также продуктов их окисления хлором. Кроме того, предусматривается обезвоживание осадка [11] с использованием барабанного сгустителя и мешковой сушилки.
При полезной производительности ВОС 400 м /сут потери воды с
3 3
осадком составят всего 3 м /сут в отличие от 70 м /сут, сбрасываемых в сооружениях, в случае осуществления процесса водоподготовки, выполненных по классической схеме напорного фильтрования на зернистых фильтрах, что свидетельствует об экологичности.
Литература
1. Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод // Высшая школа, 1987. С. 206-210.
2. Первов Л. Г., Резцов Ю. В.,Кандаурина Л. М. Мембранная технология в подготовке питьевой воды // Водоснабжение и санитарная техника, 1995. № 11,С. 13-14.
3. Marcel Mulder. Basic principles of membrane technology: Kluwer Academic Publishers Dodrecht / BOSTON / LONDON, 1995. 513 p.
4. Bjarne Nicolais Developments in membrane technology for water treatment // Desalination. 2003. Р. 355-360.
5. Гусаковский В. Б., Вуглинская Е. Э. , Лазурина М. А. Устройство для осветления промывных вод. Патент № 89987 Российская Федерация: МПК
B03 D 3/02. URL: fips.ru/iiss/document.xhtml?faces-
redirect=true&id=33025b38d18d496597e369b38924d800.
6. Гусаковский В.Б., Барсегян Э.М. Технология обработки промывных вод фильтровальных сооружений с использованием погружных мембран // Материалы международной научно-практической конференции «Новые достижения в областях водоснабжения, водоотведения, гидравлики и охраны водных ресурсов» / ПГУПС. - СПб.: ОМ-Пресс, 2013. С.78-82.
7. Алферова Л.А., Нечаев А.П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. // Стройиздат, 1984. С. 272.
8. Серпокрылов Н.С., Петренко С.Е., Борисова В.Ю. Повышение эффективности и надежности очистки сточных вод на разных стадиях эксплуатации очистных сооружений // Инженерный вестник Дона, 2013, №2 URL : ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1602.
9. Петров С.В., Волков М.В., Гусаковский В.Б., Барсегян Э.М. Устройство для осветления промывных вод с водовоздушной промывкой мембранного модуля. Патент № 152809 Российская Федерация: МПК B01D 36/04, B01D 29/66, C02F 1/52. URL: fips.ru/iiss/document.xhtml?faces-redirect=true&id=e2ae9ddf1e07a8cdd4a536e56798304a.
10. Лазурина М.А., Гусаковский В.Б. Комбинированное сооружение с мембранным модулем для осветления и обесцвечивания природных вод // Актуальные проблемы строительства Материалы международной научно -практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и докторантов / СПбГАСУ. - СПб, 2014. С. 35 - 38.
11. Рыльцева Ю.А., Лысов В.А. Имитационное моделирование взаимосвязи инициаторов высокотехнологичных инноваций // Инженерный вестник Дона, 2012, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/1011.
References
1. Nikoladze G.I. Texnologiya ochistki prirodny'x vod [Natural water purification technology]. Vy'sshaya shkola, 1987. pp. 206-210.
2. Pervov L. G., Rezczov Yu. V., Kandaurina L. M. Water supply and sanitary engineering, 1995. N. 11, pp. 13-14.
3. Marcel Mulder. Basic principles of membrane technology: Kluwer Academic Publishers Dodrecht / Boston / London, 1995. 513 p.
4. Bjarne Nicolais Developments in membrane technology for water treatment. Desalination. 2003. pp. 355-360.
5. Gusakovskij V. B., Vuglinskaya E. E'., Lazurina M. A. Ustrojstvo dlya osvetleniya promyvnyx vod [Device for clarification of wash water]. Patent № 89987 Rossijskaya Federaciya: MPK B03 D 3/02. URL: fips.ru/iiss/document.xhtml?facesredirect=true&id=33025b38d18d496597e369b38 924d800.
6. Gusakovskij V.B., Barsegyan E'. M. Materialy' mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Novy'e dostizheniya v oblastyax vodosnabzheniya, vodootvedeniya, gidravliki i oxrany' vodnyx resursov». PGUPS. SPb.: OM-Press, 2013. pp.78-82.
7. Alferova L.A., Nechaev A.P. Zamknuty'e sistemy' vodnogo xozyajstva promy'shlenny'x predpriyatij, kompleksov i rajonov. [Closed systems of water management of industrial enterprises, complexes and regions]. Strojizdat, 1984. P. 272.
8. Serpokry'lov N.S., Petrenko S.E., Borisova V.Yu. Inzhenernyj vestnik Dona, 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1602.
9. Petrov S.V., Volkov M.V., Gusakovskij V.B., Barsegyan E'.M. Ustrojstvo dlya osvetleniya promy'vny'x vod s vodovozdushnoj promy'vkoj membrannogo modulya [Device for clarification of wash water with water-air washing of the membrane module]. Patent № 152809 Rossijskaya Federaciya: MPK B01D 36/04,
В0Ш 29/66, С02Б 1/52. ШЪ: fips.ru/iiss/document.xhtml7faces-redirect=true&id=e2ae9ddf1e07a8cdd4a536e56798304a.
10. Lazurina М.А., Gusakovskij У.В. АЙт^у^ proЫemy, stшiteГstva Materialy, mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii studentov, aspirantov, molody,x ucheny,x i doktorantov. SPbGASU. БРЬ, 2014. рр. 35 - 38.
11. RyTceva УнА., Ly,sov У.А. Inzhenernyj vestnik Бот, 2012, №3. иЯЪ: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/1011.
