CC BY
26
УДК 5632.711.66.067
РЕГЕНЕРАЦИЯ ДЕМИНЕРАЛИЗОВАННОЙ ВОДЫ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД КРАСИЛЬНО-ОТДЕЛОЧНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
ТЕКСТИЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Н.С. Орлов
Российский химико-технологический университет им Д.И. Менделеева
Обобщены результаты двухлетних испытаний, в красильно-отделочном производстве тонкосуконной фабрики имени Петра Алексеева, пилотной технологической линии очистки сточных вод. Линия состоит из напорного флотатора, двух осветлитель-ных фильтров с непрерывной и периодической регенерацией зернистого слоя, размещенных параллельно, а также ультрафильтрационной установки с трубчатыми мембранными элементами. Обоснована эффективность замены ультрафильтрации на обратный осмос. Разработана новая технологическая схема комплексной системы очистки сточных вод, обеспечивающая возврат в производство около 90% деминерализованной воды, а также концентрирование и сгущение примесей до состояния влажного шлама. Приведено технико-экономическое обоснование предлагаемого технологического решения. Рассмотрен пример расчета себестоимости деминерализованной воды на стадиях обратного осмоса. Из рассмотрения этого примера следует, что определяющий вклад в себестоимость такой воды вносят тарифы Мосводоканала на подведенную и отведенную воду.
Ключевые слова: красильно-отделочное производство, сточные воды, комплексные системы очистки, флотация, осветлительная фильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос, технико-экономический расчет.
По объему потребления природной и сброса сточной воды одно из ведущих мест занимают тонкосуконные предприятия (ТСК) текстильной промышленности. Удельный расход воды на этих предприятиях составляет 70 - 400 м на тонну продукции [1-3]. Основным потребителем воды тонкосуконных предприятий является отделочное производство, на его долю приходится около 60% общего во-допотребления. В свою очередь, основными потребителями воды в отделочном производстве являются отделения валки и промывки. Валка - процесс обработки тканей раствором, содержащим текстильно-вспомогательные вещества, например , 10 г/л сульфанола и 2 г/л тебо-лана в валочных аппаратах с целью усадки тканей по длине и ширине. Промывка тканей осуществляется в промывочных машинах раствором, содержащим до 0,15 г/дм3 поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Сточные воды красильных и отделочных производств ТСК представляют собой сложные гетерогенные смеси, содержащие загрязнения в растворенном, коллоидном и нерастворенном состоянии. Коллоидные и нерастворимые вещества способны образовывать стойкие грубо- и тонкодисперсные суспензии и эмульсии. В сточных водах всегда присутствуют в различных соотношениях, фрагменты тканей, шерсти, текстильно-вспомогательные вещества (ТВВ), ПАВ, нефтепродукты, различные типы красителей (кислотные, основные и дисперсные), а также хлориды, сульфаты и другие неорганические соединения. Примерный состав загрязнений по обобщенным показателям в сточных водах отделочного производства и требования к качеству воды, используемой в технологическом процессе, приведены в таблице 1.
Таблица 1
Состав загрязнений в сточных водах отделочного производства и требования к качеству воды
Показатель Единицы измерения Сточная вода Требования к воде, используемой в технологическом процессе
РН 7 7
Цветность разбавление 1/125 - 1/800 1
Взвешенные мг/л 235 - 950 не более 5
Окисляемость мг/л 1280 не более 32
Нефтепродукты мг/л 5,2 Не допускается
СПАВ мг/л 37 - 185 Не более 2,5
Общая жесткость мг/л 4,2 не более 1
Возрастающие тарифы водоканалов на потребленную и отведенную сточную воду, а также штрафные санкции за превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) примесей, регламентируемых жесткими нормативами [1], обусловливают актуальность разработки технологии, обеспечивающей на современном этапе развития максимально возможный возврат в производство очищенных сточных вод. Основу такой технологии составляют мембранные процессы, которые в последние годы нашли широкое применение при решении задач водоподготовки. Примерами могут служить системы опреснения солоноватой и морской воды для обеспечения населения питьевой водой, а также подготовки деионизованной воды для микроэлектроники, теплоэнергетики, фармацевтики и медицинских учреждений. В системах водоподготовки сбрасываемый в коллекторы водоотведения сконцентрированный поток (ретант) не содержит примесей техногенного характера, поэтому тарифы за такие сточные воды невелики или несущественны по сравнению со стоимостью подготовленной воды. Мембранные процессы, применяемые для решения задачи очистки сточных вод, наряду с высокой эффективностью (98-99 %) имеют ограничения по степени концентрирования, поэтому необходим поиск вариантов сопряжения мембранных и традиционных процессов, позволяющих обеспечить концен-
трирование и сгущение примесей до состояния влажного осадка с целью их дальнейшей утилизации.
Задачи исследования в реальных условиях производства заключались:
- в выборе мембранного метода очистки сточных вод, и оценке его эффективности при изменениях концентраций загрязнений в сточных водах, обусловленных цикличностью операций при работе красильного, валочного и моечного оборудования;
- в обобщении результатов испытаний непосредственно мембранного оборудования, оценке его эффективности на основании заключений лаборатории контроля качества воды предприятия и специализированной отраслевой лаборатории;
- в разработке, изготовлении и испытаниях пилотной технологической линии с оборудованием, обеспечивающим эффективную очистку сточных вод и концентрирование примесей;
- в подготовке исходных данных для проектирования технологической линии производительностью 150 м/час, обеспечивающей возврат в производство около 90 % деминерализованной воды, а также концентрирование и сгущение примесей до состояния влажного осадка.
Экспериментальная часть. В результате обобщения опыта лабораторных исследовании и результатов испытаний ультрафильтрационного оборудования, на
Улан-Уденском тонкосуконном предприятии, была спроектирована и изготовлена Тамбовским заводом «Комсомолец» установка ультрафильтрации УФ-3. Она размещалась в цехе мокрой отделки АОЗТ «Фабрика имени Петра Алексеева». На первом этапе испытаний, установка эксплуатировалась в течение трех месяцев, в качестве отдельной самостоятельной единицы оборудования, на втором - в составе пилотной технологической линии (рис.1). Установка УФ-3 состояла из смонтированного на раме циркуляционного контура, включающего шесть последовательно соединенных аппаратов с модулями БТУ-0,5/2 с общей поверхностью мембран 3 м2, теплообменника типа «труба в трубе» с поверхностью 0,5 м2 , циркуляционного и подпитывающего насосов, расходной, и двух приемных емкостей, а также контрольно-измерительных приборов - манометров и ротаметров.
Забор сточных вод, в зависимости от задач исследования, производился как не-
посредственно из цехового коллектора, так и из расходной емкости. В первом случае разделенные потоки, очищенный (пермеат) и сконцентрированный (ретант), отводились в производственный коллектор, а во втором - в расходную емкость, из которой вновь подавались в циркуляционный контур. При использовании расходной емкости, обеспечивались постоянный состав и концентрации сточных вод в течение периода испытаний, а также возможность моделировать состав примесей и концентраций в широком диапазоне за счет добавления красителей, ПАВ, других компонентов.
Результаты эффективности очистки отработанных моющих растворов после операции «средняя вода» (ткань «Арктика») на ультрафильтрационной установке УФ-3 приведены в таблице 2. В таблице 3 приводятся результаты испытаний установки УФ-3, в зависимости от типа и концентраций красителей, содержащихся в отработанных моющих растворах.
Рис.1. Схема пилотной технологической линии очистки сточных вод цеха мокрой отделки тканей и цеха крашения АОЗТ «Фабрика имени Петра Алексеева»
1 - емкости для флотационных реагентов; 2,6 - питающие насосы; 3 - напорный флотатор с гребко-вым съемником пены; 4 - промежуточная емкость; 5 - осветлительный фильтр с непрерывной регенерацией зернистого слоя; 7 - циркуляционный насос; 8 - ультрафильтрационная установка УФ- 3 с модулями БТУ-0,5-2; (Б!) - ротаметры; (Р1) -манометры; 9 - емкость для сбора пермеата.
Таблица 2
Результаты эффективности очистки отработанных моющих растворов после операции «средняя вода» (ткань «Арктика») на установке УФ-3
Характеристика примесей Концентрация примесей в мг/дм3
В ретанте В пермеате
РН 7,0* 7,0*
Прозрачность по шрифту 0,5* 22*
Взвешенные вещества 235,0 5,0
Хлориды 20 20
Бихроматная окисляемость 1280 32
Биологическое потребление кислорода 450 90
Нефтепродукты 5,2 не обнаружено
ПАВ неионогенные 37 2,5
Бе3+ 0,3 0,01
Сг3+ 0 0
Сг6+ 0 0
Таблица 3
Результаты испытаний установки УФ-3 в зависимости от типа и концентраций
красителей
Номер машины, наименование операции Наименование ткани Цвет, характеристики красителя Режимы эксплуатации установки УМТ-3 Результаты анализа С, г/дм3
х <3 М ГН % 2 Ы ^ & * ат с р 3/ ем С нт са Ре м3 О Рч О ¡5 и
5 Размыл Др летопись С5-МА Флокс (красный) 507-530 ГОСТ 14091-78 4,2 3,6 5 0,520 0,96 1,16 0,002 1,43
4 Размыл-вода Гамма Серо-тайга 885 4,2 3,5 4,7 0,670 0,92 2,45 0,005 3,35
4 Смывка Арктика С3-МА Черно-оливковый 826 4,0 3,3 4,7 0,510 0,96 2,65 0,005 3,35
4 Размыл Арктика С3-МА Черно-оливковый 826 4,5 3,95 4,9 0,580 0,60 1,23 0,004 1,84
4 Малая вода Арктика С3-МА Черно-оливковый 826 4,3 3,8 5,1 0,750 440 1,04 0,005 2,02
4 Средняя вода Арктика С3-МА Черно-оливковый 826 4,2 3,8 4,7 0,760 200 0,36 0,004 0,40
Положительные результаты (таблицы 2, 3) испытаний пилотной установки ультрафильтрации в диапазоне типов и концентраций красителей, используемых в технологическом процессе цеха мокрой отделки, позволили перейти к следующему этапу НИОКР. По разработанной конструкторской документации опытным заводом РХТУ им. Д.И.Менделеева был изготовлен напорный флотатор объемом 2,6 м3 с флотационной и отстойной камерами. У Тамбовского завода «Комсомолец» был приобретен осветлительный фильтр с непрерывной регенерацией зернистого слоя диаметром 0,8 м и высотой 2,3 м.
Испытание в производственных условиях пилотной технологической линии очистки сточных вод на участке валочных машин цеха мокрой отделки тканей (рис.1). Дальнейшая программа испытаний заключалась в оценке эффективности отдельных стадий и согласования их работы.
Выбор флотационных реагентов и определение их доз. На стадии флотации сопоставляли эффективность коагулянтов хлорного железа FeQз*6H2O и сернокислого алюминия Al2(SO4)3*6H2O, в рекомендованных диапазонах рН: (4 - 6 и 8 -10) и (5 - 7) соответственно [2,4]. Для определения доз коагулянтов использовали известную методику [4]. Стеклянные цилиндры объемом 1 литр в количестве 10 штук заполняли пробами исследуемой воды и изменяли дозы коагулянтов. Доза флокулянта была постоянной (0,5 мг/дм3). Последовательность процедур: интенсивное (30 - 40 секунд), затем умеренное (15 минут) перемешивание, выдержка в покое 30 - 60 минут, декантирование сифоном светлого слоя и определение концентрации взвешенных примесей в исходной и осветленной воде. По кривой коагуляции определяли, соответствующую порогу коагуляции, оптимальную дозу реагентов. Результаты испытаний пилотной линии очистки сточных вод приведены в таблице 4.
Таблица 4
Результаты испытаний пилотной линии очистки сточных вод
Стадия очистки Вид загрязнений Концентрация загрязнений в мг/ дм з
Флотация Осветл непрерь зе ение на фильтре с вной регенерацией рнистого слоя Ультрафильтрация
1.1 Исходная вода Шлам Осветленная вода 1.2 Исходная вода Кон-цен-трат Осветленная вода 1.3 Исходная вода Ретант Пер-меат
Сточные воды отделочного производства
Взвешенные 235 2190 65 65 160 22/10 22/10 280/160 —
СПАВ 37 154 20 20 76 13/9 13/9 140/90 2,5
Сточные воды красильного производства
Взвешенные 1000 8000 120 120 340 55/25 55/25 600/300 0 - 4
СПАВ 185 580 50 50 120 35/25 35/25 330/250 4
Нефтепродукты 5,2 —
ХПК 1280 32
БПК 450 9
В процессе испытаний пилотной технологической линии были решены следующие задачи:
1. На стадии флотации более высокая эффективность очистки была достигнута при использовании коагулянта Al2(SO4)з*18H2O и флокулянта полиакри-ламида при рН = 6. При этом доза коагулянта составляла 60 мг/л, флокулянта 0,5 мг/л соответственно.
2. На стадии механической фильтрации высокая эффективность очистки от взвешенных примесей достигалась, при использовании механического фильтра, с неподвижным зернистым слоем с диаметром гранул 0,6 - 1,4 мм, при высоте загрузки 1,2 метра. Следует отметить, что стабильной работы фильтра (5, рис. 1) с непрерывной регенерацией зернистого слоя достичь не удалось, несмотря на двукратную замену загрузки зернистого слоя и гарантии завода-изготовителя. В частности, были использованы различные фракции песка с диаметром гранул 0,6 - 1,4 мм; 0,8 - 1,6 мм и 1,2 - 2 мм.
3. В технологической линии были организованы рециклы - промывной поток со стадии механической фильтрации и ретант со стадии ультрафильтрации возвращались на стадию флотации. В результате достигались поставленные требования, т.е. очищенная вода соответствовала требованиям технологического процесса и могла повторно использоваться в производстве, а утилизируемым потоком являлся флотационный шлам.
В связи с высоким влагосодержанием шлам было необходимо обезвоживать. Рассматривались два варианта решения этого вопроса, т.е. использование фильтрующей центрифуги или рукавного фильтра. При этом предусматривалось, что фугат или фильтрат, в зависимости от выбранного способа обезвоживания шлама, возвращались на стадию флотации. Следует отметить, что, несмотря на трехступенчатую очистку, вода, тем не менее, имела очень
слабый цветовой оттенок, соответствующий используемому красителю. Поэтому были проведены дополнительные исследования содержания красителей в пермеате, с привлечением специалистов колористической лаборатории и технологов цеха мокрой отделки АОЗТ «Фабрика имени Петра Алексеева». В результате было получено положительное заключение, т.к. концентрация красителей в очищенной воде была в 3 - 4 раза меньше допустимой. Тем не менее, психологический эффект «хорошо, но!» имел место, его необходимо было учитывать.
Технико-экономическое обоснование выбора мембранного метода очистки сточных вод. В качестве критериев оценки принятого технического решения, рассматривали качество очистки и себестоимость очищенной воды, а «инструментом» исследования - компьютерную программу «Водоподготовка». В соответствии с алгоритмом программы, по исходным данным (содержанию и концентрациям примесей в поступающем потоке, требованиями к качеству чистки и концентрациям примесей в утилизируемом потоке), решаются задачи синтеза технологической схемы, расчета оборудования , капитальных затрат и себестоимости. Алгоритм и описание программы «Водоподготовка» приведены в [5, 6]. В данной статье иллюстрируются примеры технико- экономического расчета процессов ультрафильтрации и обратного осмоса.
В соответствии с терминологией, принятой при расчете мембранных каскадов, мембранную установку рассматриваем в качестве ступени мембранного разделения (далее по тексту - ступень). Ступень -это организованная совокупность, распределенных по секциям мембранных аппаратов, обеспечивающая разделение поступающего потока на два - очищенный и концентрированный в соответствии с заданным соотношением расходов или концентраций примесей (рис. 2).
Рис.2. Структура ступени мембранного разделения
Qex> Qeьw Qpгц - потоки раствора в пределах ступени, м3/час ; F, W, P - потоки исходной смеси, ретанта и пермеата , т.е. на входе и выходе из ступени, м3/час, С-^, Cpk и CWk - концентрации компонентов (примесей ), k - порядковый номер компонентов смеси.
Уравнения материального баланса для ступени приведены в виде:
F = P + W, (1)
F CFk = P Cpk + W Cwk , (2)
Rk = 1 - Cpk /CFk , (3)
Jv =Lp (A P- An), (4)
T = W/F , (5)
t=Qebxi /Qexi , (6)
где Rk - задерживающая способность (селективность) мембраны, Jv - удельная производительность (м/с ), Lp - коэффициент удельной производительности (м/сПа) мембраны, A P -среднее трансмембранное давление (Па),
An- разность осмотических давлений (Па), T - доля отбора ретанта в ступени, t - доля отбора ретанта в мембранном аппарате.
Если в ступени соотношение W/F — min диктуется технологическими требованиями, то в отдельном мембранном аппарате, более высокая эффективность разделения и ресурс мембран достигаются при Wj /Fj — max. Задачей секционирования ступени, наряду с обеспечением рассмотренных требований, является также поддержание близких гидродинамических условий эксплуатации, размещенных в ней мембранных аппаратов. Эта задача реализуется за счет последовательного сокращения числа аппаратов в секциях, либо за счет организации рецикла, а также в результате комбинации обоих приемов. Обозначим долю рецикла в ступени
Е= Qpец ^вьа. В результате получим соотношения, связывающие внешние и внутренние, по отношению к ступени, потоки:
а
Q рец
W
' 1 - E EW 1 - E
Qexl = F +
EW
l - E
(7)
(8) (9)
Так как t =Qebai/Qe.
Qebrn. = tQ exi и
,следовательно,
Qeuxm Qexl t™ . (10)
Если в ступени отсутствует рецикл из (5) и (10), следует Т= tm*.
Из условия w = const очевидно, что ni = Qi /Sj , где Sj - сечение аппарата, следовательно, n m* = nit (m ~11 . Для основных типов мембранных аппаратов (10) приводится к виду:
, = i -
wd„
(11)
где Ь и ёэ - длина и эквивалентный диаметр напорного канала в аппарате, соответственно, н - средняя скорость течения в напорном канале.
Следует иметь в виду, что, при последовательном размещении модулей в аппарате, необходимо принять Ь=Ш2, где 4 -длина напорного канала одного модуля (элемента). Общее число аппаратов в ступени и распределение по секциям выразим в виде:
N ' = Щ = п + п+... + Щ . (12)
Число секций ш* необходимо ограничивать, исходя из допустимого снижения давления в ступени, например
Р„„,
< 0.7, обусловленного гидравличе-
Р - Р
т -^ . (13)
АР
трг
Проиллюстрируем последовательность расчета необходимого числа аппаратов для формирования ступени, и их распределения по секциям. Исходные данные:
1) требуемая производительность по очищенной воде для красильно-отделочного производства Р = 150 м3/час.;
2) доля отбора в ступени Ж/Р = 0,1 (обусловлена необходимостью максимального концентрирования для последующей утилизации примесей);
3) основные характеристики мембранных элементов на основании проведенных исследований и паспортных данных производителя «РМ нанотех» (приведены в таблице 4).
Таблица 4
Основные характеристики мембранных элементов на основании проведенных исследований и паспортных данных производителя «РМ нанотех»
Рх
ским сопротивлением аппаратов и соединяющих их трубопроводов. Могут иметь место ограничения, обусловленные высокой степенью концентрирования примесей, сопровождающейся выпадением осадков на мембранах в последней секции. В случае высокого гидравлического сопротивления мембранных аппаратов, для расчета числа секций ш , вводится дополнительное условие:
Мембранный элемент, модель Экспериментальные и паспортные технические параметры для проектирования
Бм, м2 ёэ,мм м3/м2час К та w, м/с А Р,МПа Ж/Р
БТУ-0,5/2 0,5 12 0,150 0 3-5 0,5 8-10
КСН 8040-СЗ-БЯУ 35 0,86 0,0457 0,99 0,3-0,4 1,0-1,5 5
Общие для модулей Т=10-40 °С, рН=2-11,
Расчетные значения:
1) По уравнению (1) находим: Р = 166,7 мз/час, Ж = 16,7 мз/час.
2) Доля отбора для ступени в целом из (5) составляет 0,1.
3) Для определения числа секций необходимо, в соответствии с (13), рассчитать гидравлическое сопротивление аппаратов. Согласно сложившейся практике, в секциях размещают последовательно 12 ультрафильтрационных элементов БТУ-0,5/2, либо 6 обратноосмотических элементов КСН 8040-С3-DRY. В первом случае, из-за конструктивных особенностей, для каждого из элементов необходим отдельный корпус, во втором достаточно одного корпуса.
3.1) Гидравлическое сопротивление секций (аппаратов), рассчитанное по уравнению Дарси, составило:
АРТР (БТУ-0,5/2)=0,156 МПа при w=2,5 м/с, А Р тр (ксн 8040-с3-эку) = 0,123 МПа при w=0,35 м/с.
3.2) Число секций в соответствии с (13) и ограничением Рвых./Рвх<0.7 составило:
ш*( БТУ-0,5/2) = 0,96 , ш*(КСН 8040-СЗ-ЭКУ)
= 2, 93 .
3.3) По уравнению (10) при отсутствии рецикла в ступени, т.е при Е=0, 0,выат = Ж и Qвх = Р находим долю отбора t ретанта в секциях: 1(БТУ-0,5/2)=1, 1 (КСН 8040-СЗ-ЭКУ) = 0,47.
3.4) Рассчитанные по уравнениям (11) и (10) доли отбора ретанта составили: в секциях бту-0,5/2)=0,92 при ^=2,5 м/с и 1 (КСН 8040-сз-эку) =0,55 при ^=0,З5 м/с и соответственно в ступенях- Т( БТУ-0,5/2) =0,96 и Т (КСН 8040-сз-эку) =0,166, при заданной Т=0 , 1 .
Из этого следуют очевидные выводы: уравнение (11) оказывается очень информативным как при проектировании мембранных систем очистки, так и при оценке возможности обеспечения технологических требований; применение ультрафильтрационных БТУ-0,5/2 для очистки сточных вод (КОП) бесперспективно, так как требуемое число секций для достижения доли отбора 7=0,1 составляет 28 шт.
Анализ вариантов конструктивного или технологического «воздействия» с целью сближения значений желаемого I =0,47, в соответствии с исходными данными и рассчитанного I =0,55 по (11), исходя из конструкции аппарата, свидетельствует о том, что возможности весьма ограничены. Во-первых, число мембранных элементов - 6 штук, максимальное для стандартного корпуса (увеличить нельзя). Можно подобрать мембранный элемент с узким напорным каналом, т.е. меньшим эквивалентным диаметром, но такие элементы менее устойчивы к загрязнениям. Во-вторых, понизить скорость н , но данное решение приведет к росту концентрационной поляризации и Ал, следовательно, к снижению Зу в соответствии с (4). В-третьих, повысить рабочее давление АР и соответственно Зу, как следует из (4), но рост Зу может быть незначительным из-за увеличения Ал
Все рассмотренные варианты «воздействий» осуществляются в компьютерной программе итерационными расчетами, причем уравнение (11) имеет более сложный вид (учитывается снижение рабочего давления из-за гидравлического сопротивления, рост концентрации и осмотического давления Ал, снижение Зу при перемещении разделяемой смеси в аппарате). Тем не менее, решение уравнения (11) однозначно формирует распределение потоков внутри ступени и, следовательно, «архитектуру» ступени.
Задача обеспечения, заданной изначально доли отбора Т=0,1; решается за счет организации рецикла. При требуемом в со-
ответствии с исходными данными P = 150 м3/час и рассчитанном значении T (КСН 8040-C3-DRY) = 0,166, P/Q ex = 0,834 и, следовательно, Q вх = 180 м3/час и Q вых = 30 м3/час. Так как рассчитанные ранее F = 166,7 м3/час и W = 16,7 м3/час требуется сохранить неизменными, Q рец = Q ebx - W составит 13,3 м3/час. В приведенном примере реализовано требуемое условие W/F = 0,1 и Q eblx /Q ex = 30/180 = 0,166 за счет организации дополнительного внутреннего потока в ступени - рецикла, при этом за счет Q рец возрастет концентрация CFk на входе в ступень, а Cwk будет соответствовать расчетным значениям в соответствии с W/F = 0,1.
Общее число мембранных элементов в соответствии со значениями P = 150 м3/час и Pz= Jv *Fm=1,600 м3/час (таблица 4) составит N= 94 штуки. Из соотношения (12) при t =0,55 и m*(KCH 8040-C3-DRY) = 3 находим расчетное количество мембранных аппаратов: n1= 51/6, n2= 28/6 и n3= 16/6, округляя до целого числа, получаем n1= 9, n2= 5 и n3= 3. С учетом конструктивных особенностей (стеллаж по 5 корпусов мембранных аппаратов в вертикальном ряду) n1=10, n2= 5 и n3= 3, т.е. по сравнению с рассчитанным количеством, имеем запас по числу мембранных элементов около 15%.
Эффективность очистки сточных вод по неорганическим компонентам составит 98-99 %, а по остальным примесям, практически, 100%. При доле отбора W/F = 0,1 концентрация Cwk по сравнению с исходной возрастет в 10 раз. Умягченная вода, подаваемая в КОП, в соответствии с таблицей 1 , может иметь жесткость до 1 ммоль-экв/дм3. Кроме того, ее эквивалентная концентрация, с учетом замещения ионов Ca2+ и Mg2+ на Na+, а практически и массовая, количественно соответствует концентрации исходной воды, общее соле-содержание которой для Москвы составляет около 350 мг/дм3.
Задача утилизации примесей, содержащихся в ретанте, резко осложняется из-
за высокого солесодержания - около З,5 г/дмз, кроме того, возможно образование осадков карбонатов и сульфатов кальция в последней секции мембранной ступени. Вопросам выделения шлама из концентратов уделено значительное внимание в работе [З], при этом основной проблемой является высокое солесодержание.
При возврате, освобожденного от примесей ретанта с высоким солесодержа-нием в циркуляционный контур, будет иметь место постепенное «засоление» циркулирующего в системе очистки потока. Принципиальным вариантом решения этой проблемы является замена стадии умягчения, с присущими ей значительным солевым хозяйством и частыми регенерациями, на стадию деминерализации обратным осмосом, подаваемой в КОП воды. При такой замене, общее солесодержание деминерализованной воды не будет превышать 15 мг /дмз, а производительность - не более 30 мз/час, обусловленная необходимостью восполнения естественных потерь.
Расчет себестоимости очищенной воды на стадии мембранного разделения. При технико-экономическом расчете рассматриваются две группы затрат: энергетические, обусловленные диссипатив-ными потерями при перемещении растворов, в напорных каналах мембранных модулей, и непосредственно через мембраны, а также затраты, связанные со стоимостью оборудования, оплатой обслуживающего персонала, помещения и т.д. Все эти статьи расходов в совокупности определяют затраты Ко (руб/час), отнесенные ко времени эксплуатации установки, (рис. 2), структура которой, соответствует ступени при:
К = К £ К + к '„ X
(АРтр )н>£Ртйэ
4 • I
+ ¿У ^т АР
(14)
где Кс - стоимостной коэффициент (руб/м •час);
Кр' = Кр/ц- Кр - тариф на электроэнергию (руб/кВтчас); ц - к.п.д. насоса;
И- длина напорного канала мембранного элемента (модуля) м;
ЕРт - общая поверхность мембран в сту-
2
пени, м .
В приведенном уравнении слагаемые в квадратных скобках характеризуют затраты энергии: первое на преодоление гидравлического сопротивления мембранных модулей, второе на перенос деминерализованной воды непосредственно через мембрану. В качестве движущей силы, рассматриваем среднее рабочее давление в АР +АР
ступени АР = —^—^ , при Е=0. Преобразуем (14) к виду:
к
КУ = у- + к\
^ э
113у 4
(АРтр )+ АР
(15)
где К=К/Зрт - коэффициент, определяющий затраты на получение одного кубометра пермеата в приведенной ступени, руб/м3.
Расчет стоимостных коэффициентов.
1.Стоимость электроэнергии КР в рублях за кВт*ч рассчитывается с учетом особенностей региона, например: Т • К X + Е К N
^ __рег предпр уст рег уст
I.
(16)
предпр
где Т - тариф ( руб/кВт*ч ) ; Крег - коэффициент, учитывающий потери электрической энергии в сетях; Ьпредпр - лимит, выделяемый предприятию энергонадзором на год; Е уст - стоимость 1 кВт установленной мощности;
Муст - установленная мощность предприятия, кВт.
2. Расчет Кс для вновь проектируемого оборудования и помещения складывался из следующих статей затрат:
2.1 Стоимость Еосн основного оборудования.
2.2 Стоимость ЕI трубопроводов и арматуры принимается за 15% от стоимости основного оборудования, т.е. 0,15Еосн
2.З. Стоимость Е2 неучтенного оборудования составляет 20% от Еосн, т.е.
0 2Е 0,2Еосн.
X
2.4. Транспортно-заготовительные и складские расходы Е3 - 8 - 10% от Еосн.
2.5. Затраты на монтаж, КиП и арматуру Е4 - 20% от Еосн, т.е. 0,2ЕоОТ.
2.6. Стоимость части помещения, под установку обратного осмоса отводится 20% общей площади, т.е. коэффициент использования помещения Кисп.пом=0,2 ( из алюминиевых панелей для размещения оборудования):
Е5 = ' Есмр + Ематер,
где Есмр - стоимость строительно-монтажных работ и материалов (на примере типового здания).
Проектный срок эксплуатации помещения - 30 лет, поэтому доля капитальных затрат на год составляет: Е5*1/30. Итого: затраты по статьям 2.1 - 2.5 составили:
Еосн + 0,15Еосн + 0,2Еосн + 0,08Ео,
+
0,2Еосн 163Еосн.
Эксплуатационные расходы.
2.7. Амортизационные отчисления составляли 12% от стоимости помещения (в том числе, 2% на кап. ремонт),
П 0,12 Кисп.пом Е5 0,024 Е5, где Кисп.пом
=0,1- коэффициент использования помещения под установку обратного осмоса.
2.8. Накладные расходы 23% от Е5: = 0,23Е5*0,2 = 0,046 Е5.
2.9. Заработная плата (З1) обслуживающего всю технологическую линию персонала (8 человек) и непосредственно установку обратного осмоса (2 человека) с учетом отчислений на социальное страхование 37% от З1 составила 1,37 З1*°,25.
2.10 Амортизационные отчисления 12% от стоимости участка регенерации воды т.е. 0,12*1,63Еосн, т.е. 0,12*1,63Еосн = 0,196Еосн.
2.11. Ремонт 3,8% от 1,63Еосн , т.е. 0,038*1,63Еосн = 0,062Еосн.
2.12. Стоимость мембранных элементов Вмэл с учетом кратности их замены в год. Из практики эксплуатации замена всех модулей производится 1 раз в 3 года, следовательно:
Вм.эл = 1/3В (КСН 8040-С3-0ЯУ) х№, где В(КСН тоС3-окт)- стоимость мембранного элемента.
Итого: эксплуатационные расходы: Еэкспл = 1,26*0,25*31 + 0,196Еосн + 0,062Еосн + Вм.эл + 0,07Е5.
С учетом нормативного коэффициента эффективности, равного 0,15, стоимость установки, отнесенная к году ее эксплуатации, составит 0,15*1,785Еосн = 0,268Еосн.
Таким образом, Кс для стадии деминерализации сточной воды обратным осмосом, рассчитывался по уравнению: Кс = (0,245Еосн + 1,2631 + 0,196Еосн + 0,062Еосн + Вм.эл + 0,115Е5 + 0,006Е5)/ /Зз З4 £Рм , (17)
где З3 - количество дней (суток) эксплуатации в году;
З4 - количество часов эксплуатации установки в сутки.
В данном примере иллюстрируется последовательность расчета затрат и себестоимости деминерализованной воды непосредственно для стадии обратного осмоса. В связи с тем, что основные энергозатраты в традиционных процессах очистки воды обусловлены ее перемещением под избыточным давлением, расчет стоимости и потребленной энергии проводится по уравнениям (14-16). Расчет габаритов аппаратов отдельных стадий очистки, их секционирование основывается на уравнениях (1-13) за исключением (4) и (11). Например, используемый в традиционных процессах, термин «степень извлечения» является синонимом термина «селективность» и, соответственно, рассчитывается по уравнению (3).
Скорректированная, на основании анализа результатов исследования, при эксплуатации пилотной технологической линии, выполненных расчетов и сделанных выводов, технологическая схема приведена на рисунке 3.
Рис.3. Предлагаемая принципиальная технологическая схема системы регенерации деминерализованной воды из сточных вод красильно-отделочных производств
Стадии: 1. Улавливание шерсти; 2. Эгализация сточных вод; З, 4. Напорная флотация с сатурацией 25% объема сточных вод; 5, 9. Механическая (осветлительная) фильтрация); 10. Обезжелезивание и дехлорирование воды; 6, 11.Микрофильтрация; 7, 12. Деминерализация сточной и хозпитьевой воды, соответственно; 8. Сбор
деминерализованной воды; 1З. Электрокоагуляция; 14. Сгущение шлама (центрифуга с непрерывной выгрузкой шлама); 15. Сбор шлама; 16. Сбор фугата.
Последовательность процессов очистки сточных вод (рис. З) очевидна, поясним некоторые принципиальные особенности. В результате принятого решения - замены стадии умягчения исходной воды на стадию деминерализации 12, рассчитаем расходы и концентрации солей по уравнениям (1-3). При требуемом расходе деминерализованной воды - Р=З0 мз/час и, принимаемой на практике, при использовании высокоселек-тивных( К=99,5%) мембран, доле отбора Р/Р = 0,75; потребление воды из городской сети составит Р= 40 мз/час и расход ретанта Ж=10 мз/час. Общее солесодержание ретанта См, не превышает 1,5 гр/дмз, так как СР =0,З5 гр/дмз (средняя для Москвы).
В связи с тем, что, подаваемая на стадию деминерализации 12, вода предварительно очищается от растворенного железа (Беобщ), свободного хлора (С12) и взвешенных примесей на стадиях 9-11, ретант целесообразно использовать в производстве на неответственных операциях. Основная проблема очистки сточных вод связана с выделением и последующей утилизацией примесей, содержащихся в ретанте на стадии 7, расход которого составляет Ж = 16,7 мз/час. Поэтому предусмотрена стадия электрокоа-
гуляции 1З, из которой осветленный поток направляется во флотатор З. Шлам со стадий З и 13 подается в центрифугу 14 для сгущения и отделения фугата. Проиллюстрируем расчет себестоимости (Ку) деминерализованной воды на стадии 7.
Среднесуточный тариф [7], рассчитанный по (16) , при условии оплаты 600 руб в месяц за киловатт установленной мощности, составит около 4 руб., следовательно, при круглосуточной эксплуатации в течение 250 рабочих дней в году и рассчитанному по уравнению (17), Кс =7,8 руб/м3 находим:
Ку 7 = 7,8 руб/м3 + 4 руб/ З,6х10 6Дж(11,85х1,2Зх105 Па 12,5х105 Па ) =
= 7,8 руб/м3 + 2,97 руб/м3 = 10,77 руб/м3.
Аналогичные затраты будут иметь место на стадии 12, которые в соответствии с тарифами [8] 28,17 руб/м3 на потребленную и 19,46 руб/м на отведенную воду и расходами Р=40 мз/час , Ж=10 мз/час соответственно составят:
Ку12= 10,77 руб/м3 + ((40х28,17+19,46 х10)/З0) руб/м3 =10,77 + 44,05 =54,8 руб/м3 .
Следует заметить, что Ку12 значительно превышает Ку7, но по отношению к объ-
ему потребляемой в КОП воды вклад в удельные затраты сократится до величины:
Куу (30/150) = 10,96 руб/м3 .
Приведенные стадии деминерализации воды 7 и 12 (рис. 3) наиболее затратные как по стоимости оборудования, так и по потреблению энергии из-за высоких рабочих давлений. Расчетная величина себестоимости регенерированной деминерализованной воды при эксплуатации оборудования всех стадий очистки, приведенных на рис.3, в зависимости от исполнения оборудования и региональных тарифов [7-9] на подведенную и отведенную воду, электроэнергию и утилизацию отходов соответствует диапазону (37 - 45) руб/м3 .
Выводы. Приведенное технико-экономическое обоснование позволяет принять взвешенное решение о целесообразности или нецелесообразности строительства очистных сооружений для красильно-отделочных производств текстильных предприятий. Наличие компьютерной программы позволяет оперативно оценить затраты на проектирование и строительство очистных сооружений в современных условиях инфляционных и прочих изменений тарифов на потребляемые энергоресурсы, подводимую и отводимую воду, утилизацию отходов, а также цен на конструкционные материалы, основное и вспомогательное оборудование.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кульский Л.А., Гороновский И.Т., Когановский А.М., Шевченко М.А., Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды: В 2 т.Киев, 1980. Т.1-2. 1206 с.
2. Пааль Л.Л., Кару Я.Я., Мельдер Х.А. и др. Справочник по очистке природных и сточных вод. М.: Наука, 1994. 335 с.
3. Алексеев Е.В. Исследование и разработка процессов физико- химической очистки сточных вод, содержащих поверхностно-активные вещества : дисс.... докт. техн. наук М.:МИСИ. 2004 .485 с.
4. ГОСТ Р 51642-2000. Коагулянты для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Общие требования и методы определения эффективности. М.: Госстандарт России. 15с.
5. Орлов Н.С. Методология разработки комплексных систем очистки жидких технологических сред на основе баромембранных процессов: дисс.. докт. техн. наук. М.: РХТУ.2000.404с
6. Орлов Н.С. Применение новейших мембранных технологий в промышленности и экологии //Жидкофазные мембранные системы для медицины и биотехнологии. Тезисы докл. М.: ВИМИ.1997. С.17-22.
7. ОАО Мосэнергосбыт [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.mosenergosbvt.ru (дата обращения 28.03.2016).
8. АО" Мосводоканал" [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://newtarilfs.rU/hotlinks/9 (дата обращения 16.03.2016).
9. ООО Экологическое Предприятие Интер Грин [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.intergreen.ru (дата обращения 25.03.2016).
Рукопись поступила eредакцию 7.06.2016
REGENERATION OF DEMINERALIZED WATER FROM WASTEWATER OF DYEING AND FINISHING PRODUCTION OF TEXTILE ENTERPRISES
N. Orlov
Summarizes the results of two years of testing in dyeing and finishing production of fine plant of a name of Peter Alekseev pilot technological line of sewage treatment. The line consists of pressure flotation, two arranged in parallel clarifying filters with continuous and periodic regeneration of the granular layer and ultra filtration plant with tube membrane elements. Proved the efficiency of replacement of ultra filtration to reverse osmosis. Developed a new technological scheme of complex wastewater treatment system provides a return in the production of about 90% demineralized water and the concentration and the compression of impurities to the state of wet sludge. Given the feasibility study of the proposed technological solution. The example of calculation of the cost price of demineralized water at stages of the reverse osmosis is considered. An example of the calculation of the cost of demineralized water at the stages of reverse osmosis. From consideration of this example follows that defining contribution to the cost price of such water is brought by tariffs of Mosvodokanal for the brought and taken away water.
Key words: dyeing and finishing plant, waste water, integrated systems of cleaning, flotation, clarification and filtration, ultra filtration, reverse osmosis, technical and economic calculation.
