Реконструкция существующих канализационных очистных сооружениий с спользованием мембранной ультрафильтрации Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 628.35:661.635

РЕКОНСТРУКЦИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИИЙ С СПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕМБРАННОЙ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ

1 2 Штонда И.Ю. , Ручковская А. В.

ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского»,

Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение),

Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181.

E-mail:shtonda-yщij@mail.ru1, energia-09@mail.ru2

Аннотация. Приведены исследования по очистке сточных вод на существующих канализационных очистных сооружениях, при их реконструкции с использованием мембранной ультрафильтрации.

Ключевые слова: сточные воды, биологическая очистка, канализационные очистные сооружения, мембранные модули, ультрафильтрация.

Введение

Развитие современного общества характеризуется все более ощутимыми негативными последствиями антропогенного воздействия на окружающую природную среду и на состояние водных объектов. Основными загрязнениями сточных вод являются физиологические выделения людей и животных, отходы и отбросы, получаемые в результате хозяйственной деятельности человека, применения синтетических моющих и чистящих средств, поливке улиц, отходы и отбросы промышленных предприятий, и их технологические потери, а также атмосферные (ливневые и дождевые) воды. Как бытовые, так и многие производственные сточные воды содержат значительные количества органических веществ, способных быстро загнивать и служить питательной средой, обусловливающей возможность массового развития различных микроорганизмов, в том числе патогенных бактерий. Некоторые производственные сточные воды содержат токсические примеси, оказывающие пагубное действие на людей, животных и рыб.

В связи с резким увеличением на рынке всевозможных синтетических моющих и чистящих средств, шампуней и порошков, увеличились и объемы их использования на бытовом уровне, что, в свою очередь, приводит к изменению химического состава хозяйственно-бытовых сточных вод. Увеличивается содержания СПАВ, фосфатов, азотсодержащих, компонентов, хлоридов и др., что существенно ухудшает очистку на очистных сооружениях, уменьшая их эффективность. Кроме того, сброс неочищенных, или не качественно очищенных сточных вод на рельеф или в водоем чреват опасностью инфекционных заболеваний, может стать причиной снижения содержания в водах водоема растворенного кислорода и деградации водных экосистем.

Все это представляет серьезную угрозу для жизни на Земле, поэтому, в настоящее время, проблемы очистки сточных вод имеют большое экологическое значение, как в мировом масштабе,

так и на местных уровнях. Повышение требований к качеству очищаемых стоков заставляет искать более эффективные и экологически безопасные способы удаления загрязнений.

Канализационные очистные сети и сооружения, как в Крыму, так и в других регионах России построены в 70-80-х годах прошлого века. За эти годы очистные сооружения и канализационные сети морально и технически устарели, их ресурс практически выработан. За последние десятилетия объемы сточных вод, сбрасываемых на существующие очистные сооружения, увеличились в несколько раз, что привело к увеличению нагрузки на существующие КОС. Поэтому большое значение имеет прекращение сброса неочищенных стоков даже от самых малых объектов водопользования и внедрение новых безотходных технологий и экономически выгодных очистных сооружений. Проектные и технологические решения, реализуемые при строительстве и реконструкции очистных канализационных сооружений, как правило, остаются неизменными на протяжении десятилетий. По мере принятия руководящих документов, ужесточающих требования к очищенным сточным водам перед сбросом их в водоем, проблема соблюдения новых нормативов становится актуальной для подавляющего большинства очистных сооружений. Не менее важными задачами являются снижение эксплуатационных расходов на действующих очистных сооружениях и капитальных затрат при их строительстве и реконструкции. [1-5].

Анализ публикации

Учитывая сложившеюся ситуацию с очисткою сточных вод в Республике Крым, предлагается реконструкция существующих КОС (септиков) с переоборудованием их в сооружения с аэробной биологической очисткой и с использованием мембранной ультрафильтрации, для эффективной и экологически надёжной работы данных канализационных очистных сооружений

Удаление из сточной воды взвешенных и коллоидных веществ в установках мембранной ультрафильтрации является перспективным направлением при очистке воды для различных нужд. Перспективность данного способа объясняется, прежде всего, высоким эффектом очистки сточных вод, компактностью оборудования, возможностью удаления вирусов и бактерий, а также возможностью не применять реагенты. Поэтому мембранная ультрафильтрация в последние время находит все большее применение в различных схемах очистки сточной воды. [6-8].

Но более широкому распространению данного способа очистки сточной воды препятствует, главным образом, его основной недостаток - резкая зависимость расхода механически и биологически очищенной сточной воды и потерь напора в установке от качества исходной сточной воды. Это обуславливает повышение эксплуатационных расходов, а именно энергетических затрат на преодоление потерь напора и затрат, необходимых для регенерации мембранного фильтра.

Реконструкция существующих

канализационных очистных сооружений, с переоборудованием их в сооружения с аэробной биологической очисткой с установкой модулей мембранной ультрафильтрации в Республике Крым наиболее приемлемо и эффективно, и позволит дальнейшее развитие побережья Азовского и Черного морей и территорий прилегающих к ним [5].

Цель и постановка задачи исследования

Для разработки технических и технологических задач по реконструкции существующих канализационных очистных сооружений, с переоборудованием их в сооружения с аэробной биологической очисткой с установкой модулей мембранной ультрафильтрации,

рассмотрены существующие малые канализационные очистные сооружения предприятия «СКАТ», принимающие сточные воды хозяйственно-бытового характера от предприятия «СКАТ», а также от пгт. Береговое в Республике Крым.

Основной раздел

В геоморфологическом отношении район существующего комплекса канализационных очистных предприятия «СКАТ» принадлежит к Прибрежной полосе южного склона Крымских гор и находится в пределах центрального подрайона Горного Крыма.

Рельеф местности типично горный, сильно расчленённый и характеризуется двумя элементами:

- крупным, часто обрывистым, южным склоном яйлы, обрамляющим берег;

- более отлогой и низменной полосой собственно Южного берега, расположенной между подножьем яйлы и морем.

Участок существующего комплекса канализационных очистных предприятия «СКАТ» расположен на горном склоне южной экспозиции.

Рельеф участка сформирован древнеоползневыми и современными оползневыми процессами, связанными с позднечетвертичным и современным развитием речной долины, эрозионная деятельность которой является основным фактором образования оползневой системы, которая хорошо выражена в современном рельефе в виде корытообразного понижения между водораздельными гребнями, сложенными породами таврической серии.

Комплекс канализационных очистных предприятия «СКАТ» в пгт. Береговое, ЮБК, Республики Крым построен в 60-70 годы прошлого столетия и эксплуатируется данным предприятием. Проектная мощность существующего комплекса канализационных очистных, составляет 325 м3/сут. Данный комплекс был запроектирован как блок механической и биологической очистки с использованием анаэробного метода. Анаэробный метод очистки сточных вод применен из-за наличия, на момент проектирования, высокой концентрации в сточных водах органических веществ. Его преимущество перед аэробными методами заключается в резком снижении эксплуатационных расходов (для анаэробных микроорганизмов не требуется дополнительной аэрации воды) и отсутствии проблем, связанных с утилизацией избыточной биомассы. С значительным увеличением в поступающих сточных водах биогенных и химически активных загрязнений, низкими концентрациями органических веществ, качество очистки сточных вод значительно ухудшилось.

Проведенная реконструкция комплекса канализационных очистных сооружений и сетей предприятия «СКАТ» в пгт. Береговое, в конце прошлого столетия, позволила улучшить качество очистки сточных вод. На момент обследования, сточные воды, находящиеся в биореакторах, имели светло-коричневый цвет, что говорило о слабо окисляющем активном иле, насыщение кислородом сточных вод происходило недостаточно из-за неэффективной работы системы пневматической аэрации. Активный ил в биореакторах характеризуется как слабо работающий.

Биологическая система очистных сооружений, работающая в экстремальных условиях, имеет тенденцию к хронической

разбалансированности, отсутствие механической очистки влечет за собой заиливание активного ила, вследствие плохой работы блока пневматической аэрации в биореакторах, происходит загнивание осадка что, в свою очередь, приводит к вторичному загрязнению сточных вод продуктами его разложения.

Для повышения эффективности очистки сточных до требований ПДК, необходимо произвести изменения в технологической схеме работы канализационных очистных сооружений следующим путем:

- установка эффективного оборудования для механической очистки сточных вод;

- проведение строительно-монтажных работ по увеличению объема и выравнивания днища сооружений;

- установка эффективного оборудования для биологической очистки сточных вод;

- установка системы трубопроводов для подачи циркуляционного активного ила в начало биореактора установки;

- установка пневматических аэрационных систем в биореакторе и стабилизаторе активного ила установки;

- оборудование системы эрлифтов для подачи активного ила со дна и с поверхности вторичного отстойника в начало биореактора установки;

- установка современных воздуходувок;

- установка современного оборудования для доочистки сточных вод;

- повышение эффективности обеззараживания очищенных сточных вод.

Для механической очистки сточных вод от взвешенных веществ, на канализационных очистных сооружений ДП «СКАТ» в пгт. Береговое, после камеры гашения на самотечном трубопроводе 0200, устанавливается решетка марки РМБЩ-100 с диаметром отверстий 1,5-3 мм. Решетка механизированная барабанная щеточная РМБЩ-100 предназначена для извлечения из производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод грубодисперсных включений с размерами от 1,5 мм и с выгрузкой их в мусоросборник. Для задержания зерен песка размерами до 0,2 мм используется вертикальная песколовка.

Принятая конфигурация системы пневматической аэрации, в существующих установках биологической очистки сточных вод (септиках), ограничена в случае необходимости увеличения подачи сжатого воздуха. Для эффективной работы биологической очистки сточных вод в установках биологической очистки, в летнее время, необходимо увеличение подачи количества сжатого воздуха.

Для устранений этого недостатка рассмотрен вопрос по увеличению объема аэрации. В предложенной схеме, блок биологической очистки рассматривается как один целостный комплекс, с скомпонованными в единый блок биореактором, вторичным отстойником и стабилизатором активного ила.

Для обеспечения необходимого количества растворенного кислорода для эффективного окисления биологических загрязнений активным илом, необходимо установить:

- в биореакторе 2 плети по 7 метров и 1 плеть по 4 метра мелкопузырчатых аэраторов АПКВ 120;

- компрессорную установку с системой подающих трубопроводов. Аэрационные системы, предназначены для равномерного распределения воздуха, подаваемого от воздуходувки, в толще сточной воды.

После аэрации смесь сточной воды с активным илом поступает через переливное окно по дну во вторичный отстойник, где происходит разделение активного ила и очищенной сточной воды. Иловая смесь, поступающая из биореакторов во вторичные отстойники, представляет собой гетерогенную (многофазную) систему, в которой дисперсионной средой служит биологически очищенная сточная вода, а основным компонентом дисперсной фазы являются хлопья активного ила, сформированные в виде сложной трехуровневой клеточной структуры, окруженной экзоклеточным веществом биополимерного состава.

При снижении интенсивности турбулентного перемешивания и последующем отстаивании иловой смеси в результате биофлокуляции происходит агрегирование хлопьев активного ила в хлопья размером 1-5 мм, которые осаждаются под воздействием силы тяжести. Преимуществом вертикальных вторичных отстойников являются удобство удаления из них осевшего ила, компактность расположения при блокировке с аэротанками, простота конструкции в виду отсутствия движущихся частей, возможность использования взвешенного слоя ила.

Избыточный активный ил удаляется эрлифтами из бункеров отстойной зоны вторичных отстойников в аэробный стабилизатор для стабилизации избыточного активного ила.

Стабилизированный активный ил, периодически, эрлифтами, которые устанавливаются в аэробном стабилизаторе, перекачивается на биологическую очистку в биореактор или вывозится на утилизацию ассенизационной автомашиной по согласованию.

Для функционирования комплекса канализационных очистных сооружений необходимо установить два компрессора (один рабочий, один резервный) 3Б 38С 100К фирмы КиВ1СЕК (Чехия) [9].

Для доочистки сточных вод на КОС предприятия «СКАТ», при поступлении сточных вод до 200 м3/сут и более, до требований для сбросу ПДК, рассмотрены два варианта.

Вариант 1. Для доочистки очищенных сточных вод, на канализационных очистных сооружениях возможна установка блока барабанных микроситовых фильтров. Для установки

микроситового фильтра 1БВ производительностью 10 л/с, необходимо запроектировать техническое помещение или скомпоновать с системой подогрева. Блок микроситового фильтра возможно установить на площадке канализационных очистных сооружениях, перед контактными резервуарами.

Барабанные микрофильтры типа БВ в первую очередь подходят для применения в рамках третьей стадии очистки, особенно при устранении нерастворенных веществ из хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод. Содержащая твердые частицы сточная вода поступает по отводящему

трубопроводу во внутреннее пространство фильтрующего барабана, загрязнения улавливаются на внутренней стенке ткани, а очищенная сточная вода протекает через фильтрующую ткань наружу. При этом процессе фильтрации все фильтрующее оборудование неподвижно. Фильтрующая ткань постепенно засоряется поступающими загрязнениями, повышается сопротивление ткани к протеканию, а внутри барабана повышается уровень воды. При достижении установленной разницы уровней во внутренней и внешней части фильтрующего барабана уровневый датчик, расположенный на передней части фильтра, автоматически включит привод вращения барабана. Одновременно с этим, промывочный насос перекачивает отфильтрованную воду в форсунки промывочной системы. Направленный поток воды из форсунок срывает уловленные на внутренней стороне ткани загрязнения в сточный желоб, который расположен внутри барабана.

Вариант 2. Для доочистки очищенных сточных вод, на канализационных очистных сооружениях разработана технологическая схема применения модулей мембранной ультрафильтрации. Блок модулей мембранной ультрафильтрации устанавливается во втором коридоре биореактора. Следует отметить, что актуальность данных исследований и разработки общих рекомендаций подтверждается также тем, что решение о значениях технологических параметров для очистки конкретного типа сточной воды на мембранных фильтрах зачастую принимаются на основании тестовых экспериментов на пилотной установке, т.е. носят исключительно эмпирический характер.

Ультрафильтрация - это мембранный процесс, занимающий промежуточное положение между нанофильтрацией и микрофильтрацией. Ультрафильтрационные мембраны имеют размер пор от 20 до 1000 А (или 0,002-0,1 мкм) и позволяют задерживать тонкодисперсные и коллоидные примеси, макромолекулы (нижний предел молекулярной массы составляет несколько тысяч), водоросли, одноклеточные микроорганизмы, цисты, бактерии и вирусы. Ультрафильтрация может полностью заменить процессы отстаивания, осаждения и микрофильтрацию [10]. Применение модулей мембранной ультрафильтрации в разработанной технологической схеме, а именно как блок третичной очистки, который установлен непосредственно в биореакторе. Для их установки не требуется строительство дополнительных сооружений. Под регенератор переоборудуется часть емкостных сооружений в неработающем септике №3. При работе модулей мембранной ультрафильтрации в слое смеси сточной воды и активного ила в биореакторе, время между регенерациями мембран увеличивается до 200 суток, что повышает их эффективность и конкурентоспособность.

Исследуя ультрафильтрационный

мембранный модуль, расположенный вертикально, в

котором мембранные элементы представлены пучком полых полимерных волокон, а фильтрация происходит в направлении «изнутри - наружу» видим, что часть потока (циркуляционный расход) транзитом проходит через внутреннее пространство мембраны, смывая с ее поверхности загрязнения. На частицу взвеси, задержанную на поверхности мембраны, действуют следующие силы:

- сила адгезии

А = к-ё; (1);

- сила стоксового сопротивления, обусловленная действием циркуляционного потока

Рц = (2);

- сила стоксового сопротивления, обусловленная действием фильтрационного потока

Рф = ЗлцУфё (3);

сила тяжести

О = Дрв;

6

подъемная сила

W = а-Рц;

(4);

(5)

- сила трения

Б = £(А + Рф - W + О) (6);

где к - коэффициент адгезии; ё - диаметр частицы взвеси; ц - динамическая вязкость; Уё/2-скорость потока на расстоянии ё/2 от поверхности мембраны; Уф - скорость фильтрационного потока; Др - разность плотностей частицы и жидкости; а -коэффициент пропорциональности; f - коэффициент трения. Скорость Уё/2 можно определить из предположения о ламинарном режиме течения, зная среднюю скорость циркуляционного потока Уср [11].

( Г 7Л2Л

2 - V

ср

/2 =•

^ -{ Ъ - ^

ь2

(7);

где 2-Ь - внутренний диаметр мембранного

волокна.

Отрыв частицы от поверхности мембраны происходит при условии

- £(А + Рф - W + О) = Рц (8).

Влияние каждой из рассмотренных сил на процесс отрыва частицы взвеси от поверхности мембраны, представлена зависимостью диаметра частицы ё величин составляющих балансового уравнения (8), приведенных к общей сумме (2 = £(А + Рф + W + О) + Рц) [12].

На основании проведенных исследований [10-12], можно сделать вывод, что оторвать от поверхности мембраны частицу взвеси меньшего диаметра сложнее чем крупную, поэтому при фильтрации смеси сточной воды и активного ила в биореакторе через мембраны, чем эффективные свойства активного ила, тем эффективна работа модулей мембранной ультрафильтрации.

Также, из выше изложенного следует, что для установок с высоким рейтингом фильтрации,

которые задерживают более мелкие частицы, рациональнее удаление взвеси с поверхности мембран проводить путем не непрерывной промывки вихревой смесью воздуха и воды, а периодически, прекращая при этом фильтрацию.

Для доочистки сточных вод на КОС предприятия «СКАТ», предложено использование 4 мембранных модулей siQaro БМ 643, размерами 798 х 602 х 2247. Общий вес мембранного модуля в сухом виде 135 кг.

Вывод

Для обеспечения экологической безопасности населенных мест Республики Крым и повышения эффективности очистки сточных до требований ПДК предлагается использование разработанных технических и технологических схем по реконструкции существующих канализационных очистных сооружений (септиков), с переоборудованием их в сооружения с аэробной биологической очисткой с установкой модулей мембранной ультрафильтрации.

Список литературы

1. Эпоян С.М., Штонда Ю.И., Зубко А.Л., Богданов В.А. Основные проблемы и приоритеты очистки сточных вод малых объектов и населенных пунктов в АР Крым. // Еколопчна безпека: проблеми i шляхи виршення: V мiжнародна науково-практична конференщя., 7-11 вересня 2009 р, м. Алушта: Збiрник наукових статей. Харшв: «Райдер», - 2009. - Т. 1, - С. 322 - 327.

2. Эпоян С.М., Штонда И.Ю., Штонда Ю.И., Зубко А.Л. Интенсификация очистки сточных вод на малогабаритных очистных сооружениях поселка Канака в АР Крым. // Науковий вюник будiвництва.— Харшв: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. -2010.- Вип.56.- С.230-233.

3. Штонда Ю.И., Зубко А.Л. Интенсификация очистки сточных вод на малогабаритных очистных сооружениях Крыма. // ВСТ. Водоснабжение и Санитарная Техника - Москва - Hoщstechnik. - 2010. - № 9.- С. 8 - 12.

4. Эпоян С.М., Штонда И.Ю., Штонда Ю.И., Зубко А. Л. Совершенствование работы малогабаритных канализационных очистных сооружений поселка Малореченское в АР Крым. // Науковий вюник будiвництва.— Харшв: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2010.- Вип.60.- С.271-274.

5. Штонда Ю.И., Фирсенков Ю.А., Штонда И.Ю. Влияние работы систем водоотведения на экологическую безопасность и социальную стабильность в поселках прибрежной зоны Черного моря. // Еколопчна безпека: проблеми i шляхи виршення. VI мiжнародна науково-практична конференщя, м. Алушта 6-10 вересня 2010 р, Харшв: «Райдер», - 2010. - Т. 1, - С. 324 - 326.

. 6. Пацай Ю.И., Штонда Ю.И., Штонда И.Ю. Локальные канализационные очистные сооружения для коттеджей и частных домов. // Науково-практичний журнал «Вода i водоочистш технологи». - Ки1в - 2011. - №1.- С. 56 - 59.

7. Эпоян С.М., Штонда И.Ю., Штонда Ю.И. Локальные канализационные очистные сооружения для частных домов и малых объектов водопользования. // Науковий вюник будiвництва. -Харшв : ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2011.- Вип.65.-С.335-339.

8. Эпоян С.М., Штонда И.Ю., Штонда Ю. И., Пацай Ю.И., Коваль С. П. Локальные канализационные очистные сооружения «AS-VARIO comp» для частных домов и малих объектов водопользования. // Науковий вюник будiвництва. -Харшв: ХНУБА, ХОТВ АБУ. - 2012.- Вип.69.-С.279-283.

9. Эпоян С.М., Петер Баслер, Штонда Ю. И., Зубко А. Л., Эдимов Р.Р. Использование современных воздуходувок для повышения эффективности работы малых очистных сооружений. // Науковий вюник будiвництва. -Харшв: ХНУБА, ХОТВ АБУ. - 2013.- Вип.71.-С.370-375.

10. Эпоян С.М., Карагяур А.С., Скорик А.Л. Эффективное осветление воды в устройствах малой производительности // Сучасш проблеми охорони довшлля та ращонального використання ресурав у водному господарствг Матер. практ. конф., 2-6 квггня 2012 р. м. Миргород. - К.: Товариство „Знання" Украни. - 2012. - С. 19-21.

11. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя: Пер с нем. - М.: Наука, 1974. - С. 711.

12. Эпоян С.М., Карагяур А.С.,. Штонда И.Ю. Изучение направлений снижения эксплуатационных затрат при применении мембранной ультрафильтрации. // Еколопчна безпека: проблеми i шляхи виршення. VIII мiжнародна науково-практична конференщя, м. Алушта 10-14 вересня 2012 р, Харшв: «Райдер», - 2012. - Т. 1, - С. 302 -306.

Shtonda I. Yu., Ruchkovskaya A. V.

RECONSTRUCTION OF THE EXISTING SEWAGE TREATMENT PLATFORMS WITH THE HELP OF MEMBRANE ULTRAFILTRATION

Summary. Provides research on wastewater treatment in existing small sewage treatment plants, with their reconstruction using a membrane ultrafiltration.

Key words. : wastewater, biological treatment, sewerage treatment plant, membrane modules, ultrafiltration.