Применение мембранных систем с целью повторного использования сточных вод в техническом водоснабжении
Современная водоподготовка сводится не только к получению воды требуемого качества, но и к минимизации образующихся в процессе очистки воды отходов. То же относится и к промышленным системам водоотведения. Одним из хорошо известных решений является использование в техническом водоснабжении доочищенных сточных вод. Применение мембранных технологий имеет большие перспективы для создания замкнутых циклов на промышленных предприятиях.
Доочистка сточных вод приобрела чрезвычайную актуальность в связи с непрерывным увеличением водопотребления, образованием больших объемов стоков и созданием замкнутых систем водообеспечения промышленных предприятий. Большое значение приобретает повторное использование очищенных сточных вод для технического водо- снабжения промышленности.
Для доочистки городских сточных вод применяют методы фильтрования, флотации, сорбционный, окисления, комбинированный, доочистку воды в биологических прудах и др. Так как при доочистке большое количество воды подвергают обработке, то предпочтение отдают устройствам и сооружениям, которые не требуют больших давлений и отличаются простотой и надежностью, например, микрофильтры и открытые фильтры с зернистой загрузкой.
В современных условиях целесообразно использовать биологически очищенные сточные воды для целей технического водоснабжения: для подпитки теплосетей, для оборотного водоснабжения и охлаждения. Биологически очищенная вода часто не со- ответствует требованиям по величине солесодержания, содержанию колиформных бактерий, органических веществ, биогенных элементов. Для эффективной доочистки сточных вод после биологической очистки их направляют на доочистку с помощью мембранного метода обратного осмоса. Обратноосмотические мембраны позволяют задержать содержащиеся в воде бактерии, растворенные органические вещества, азотные и фосфорные соединения в ионной форме.
Пропущенная через мембраны вода соответствует самым жестким требованиям, предъявляемым к воде, сбрасываемой в водоемы рыбохозяйственного назначения (таблица 1). Таблица 1 взята из книги [1] в качестве примера, демонстрирующего возможности установок обратного осмоса при доочистке биологически очищенных сточных вод.
Крупнейшие в мире станции доочистки городских сточных вод работают в Кувейте (320 тыс. м3/сут.), США (280 тыс. м3/сут.), Сингапуре (228 тыс. м3/сут.), Австралии (230 тыс. м3/сут.) [1]. Один из вариантов технологических схем доочистки сточных вод представлен на рис. 1.
Вода после вторичных отстойников станций биологической очистки направляется на установку предочистки. Для предочистки перед установкой обратного осмоса используются ультрафильтрационные мембранные аппараты погружного типа в виде кассет с половолоконными мембранами. Очищенная вода после ультрафильтрации насосами высокого давления подается на установку с обратноосмотическими мембранами. В воду перед обратноосмотической установкой дозируют ингибиторы и кислоты для предотвращения отложений карбоната кальция на мембранах.
В настоящей статье представлены результаты разработанных авторами рекомендаций по рациональному использованию воды для технического и оборотного водоснабжения предприятия «АЗОТ» (Томская область).
Предприятие забирает из реки Томь для своих нужд около 4100 м3/час, из них 2000 м3/час идут на хозяйственно-питьевые нужды, 1000 м3/час - на производство, 1100 м3/час - на химводоочистку. Огромные объемы воды, забираемой на подпитку (и, соответственно, продувку) оборотной системы, связаны с поддержанием в системе низкого значения коэффициента упаривания, что объясняется опасностью образования в системе отложений осадков малорастворимых солей.
В буферный пруд поступают промливневые стоки (продувка оборотной системы, 1000 м3/час), биологически очищенные сточные воды (2000 м3/час) и сточные воды химводоочистки (до 100 м3/час). В буферном пруду все стоки смешиваются, но в результате концентрация минеральных солей в нем растет. В таблице 2 представлены значения концентраций различных веществ, содержащихся в воде буферного пруда (графа 4) и исходной речной воды (графа 3). Для упрощения расчетов в балансе не учитываются ливневые воды, поступающие эпизодически и составляющие по объему порядка 5% от общего количества сбрасываемых стоков.
На рис. 2a представлен баланс по общему количеству воды и солей, поступающих в системы оборотного водоснабжения, отводящихся в буферный пруд и сбрасываемых в окружающую среду.
Изучение схемы водного хозяйства предприятия показывает, что количество отводимых с сооружений биологической очистки сточных вод превышает потребность предприятия в технической воде. Поэтому представляется целесообразным производить доочистку сточных вод для их последующего использования для подпитки оборотной системы и для водоподготовки. Очистка сточных вод с применением метода обратного осмоса позволит получать обессоленную воду высокого качества. В случае использования этой воды для подпитки оборотной системы представляется возможным увеличить значение ее коэффициента упаривания и тем самым в 4-5 раз сократить объемы подпитки. В случае использования фильтрата обратноосмотической установки в качестве химочищенной технологической воды можно избежать образования минерализованных стоков (от используемых установок ионного обмена), поступающих в буферный пруд. Анализ состава воды в буферном пруде (графа 3 таблицы 2) показывает, что вода имеет невысокую минерализацию и может быть эффективно очищена с помощью системы обратного осмоса (при условии применения эффективной системы предочистки на основе ультрафильтрации). Авторами был проведен анализ системы водного хозяйства и определены оптимальные решения по применению системы обратного осмоса. Целесообразным можно считать очистку сточных вод до их поступления в буферный пруд (рис. 2, б и в).
При заполнении оборотной системы охлаждения обессоленной водой, полученной с применением установок обратного осмоса (без ионов жесткости, щелочности, бактерий), коэффициент концентрирования при упаривании можно доводить до значения 6-8 и выше, это значит, что расходы воды на подпитку (и, соответственно, расходы продувки) могут быть сокращены в 4-5 раз.
Для прогноза состава фильтрата обратноосмотической установки используются компьютерные программы, позволяющие определить элементный состав фильтрата в зависимости от состава исходной воды и условий работы установки величин рабочего давления и выхода фильтрата.
Как известно, качество фильтрата зависит от величины выхода фильтрата (кратности концентрирования исходной воды в аппаратах установки). Поэтому расчет элементного состава фильтрата выполнен нами для двух величин выхода фильтрата: 0,50 и 0,75 (графы 6 и 8 таблицы 2). Состав концентрата для разных условий работы установки показан в графах 7 и 9 таблицы 2. Как видно из таблицы, величина выхода фильтрата заметно влияет на его качество. Таким образом, обессоленная сточная вода (фильтрат установки обратного осмоса) с солесодержанием порядка 20-40 мг/л может использоваться для подпитки оборотной системы охлаждения (300-400 м3/час) и на подготовку системы ХВО (порядка 1000 м3/час), а концентрат системы обратного осмоса (500 - 600 м3/час) с солесодержанием 1400-1500 мг/л может продолжать поступать в буферный пруд, где будет разбавляться расходом ливневых и талых вод (200 м3/час), при этом общее солесодержание стоков не будет превышать 2000 мг/л (рис. 2в).
Таким образом, используя доочистку бытовых стоков, поступающих на очистные сооружения предприятия, можно исключить забор свежей воды из реки на технические нужды, оставив только забор воды для питьевых нужд (2000 м3/час).
Использование технологии обратного осмоса позволяет получить воду для систем ХВО, что исключает образование солевых стоков от систем регенерации ионообменных фильтров ХВО. В расчетах было принято, что фильтрат обратноосмотической установки имеет величину общей жесткости на уровне 0,8-0,9 мг/л (0,05 мг/экв/л), что соответствует требова- ниям к качеству химочищенной воды. Исходя из условий материального баланса при работе оборотной системы при уменьшении концентрации солей (и солей жесткости в частности) в подпиточной воде, соответственно может быть уменьшен и расход подпиточной воды, а также расход продувки. При отсутствии данных (характеристик оборотной системы) был принят расход продувки на уровне 400 м3/час, что соответствует значению коэффициента упаривания исходной подпиточной воды (фильтрата обратного осмоса) порядка 10. Концентрация солей в продувочной воде, выходящей из системы оборотного водоснабжения, принята 300 мг/л. При подпитке оборотной системы фильтратом обратного осмоса отпадает необходимость в мероприятиях по предотвращению осадков (таких, как фосфатирование и подкисление). Разработка таких мероприятий должна проводиться на основе проведения коррозионных испытаний фильтрата в зависимости от величины коэффициента его упаривания. Такие испытания могут быть проведены в процессе пилотных исследований. Для борьбы с коррозией в системе оборотного водоснабжения рекомендуется использовать последние разработки института ИРЕА [2].
При использовании системы обратного осмоса для очистки бытовых сточных вод балансовая схема будет иметь вид, показанный на рис. 2б. В буферный пруд при этом будут поступать:
1. Концентрат установки обратного осмоса (500 м3/час, 3500 мг/л).
2. Талые и ливневые воды, 200 м3/час, 20 мг/л (не учитываются в нашей балансовой схеме).
3. Воды продувки систем охлаждения, 400 м3/час, 300-400 мг/л.
Тогда общее количество стоков, поступающих в буферный пруд, составит порядка 1000-1100 м3/час, а общее солесодержание их смеси будет иметь значение около 2200 мг/л.
Как видно на схеме рис. 2б, вода продувки с солесодержанием 300 мг/л сбрасывается в буферный пруд. Эту воду можно смешивать со сточными водами, поступающими в установку обратного осмоса. Однако представляется намного более эффективным и целесообразным обрабатывать поток продувочной воды на отдельной установке. Продувочная вода представляет собой сконцентрированный в 10 раз фильтрат установки обратного осмоса. Величина общей жесткости имеет значение не выше 0,5 мг-экв/л, а солесодержание - не выше 300-400 мг/л. Обработка такой воды с помощью установки обратного осмоса оказывается намного эффективнее, проще (благодаря отсутствию систем предочистки) и дешевле, чем сточной воды. Поэтому авторами проработан вариант использования установки обратного осмоса производительностью 320 м3/час для обработки подпиточной воды и получения химочищенной воды для технологических нужд (рис. 2в). Благодаря этому уменьшается производительность установки обратного осмоса для очистки сточных вод, уменьшается величина выхода фильтрата (до значения 0,5), что ведет к улучшению качества фильтрата (графа 6 таблицы 2), повышению надежности работы установки и снижению величины эксплуатационных затрат.
При этом уменьшается величина сброса стоков из буферного пруда в водоем и значение солесодержания стоков. Величина общего солесодержания стоков рассчитана, исходя из определенного нами расчетным путем и принятого значения солесодержания бытовых стоков на уровне 930 мг/л. При фактическом содержании солей в бытовых сточных водах на уровне не более 500 мг/л значение солесодержания в сбросном потоке не превысит величины 1000 мг/л.
Технология доочистки бытовых стоков достаточно хорошо отработана, бытовые биологически очищенные сточные воды сначала проходят предочистку с помощью системы ультрафильтрации (удаление ила, взвешенных веществ), а далее - на установках с обратноосмотическими мембранами.
Стоимость одного блока установки обратного осмоса с предочисткой, представляющей установку ультрафильтрации, производительностью 150 м3/час составляет 850 тыс. долларов, т.е. удельные капвложения на 1 м3/час будут составлять 5,6 тыс. долларов. Внешний вид блоков показан на рис. 3.
Габариты такого блока производительностью 150 м3/час по обессоленной воде составляют 9 х 3,5 м. Удельный расход электроэнергии составит 1,2 кВт на 1 м3/час.
Для рекомендуемой схемы (рис. 2б) потребуется 10 таких блоков. В случае использования схемы (рис. 2в) могут быть использованы 9 блоков.
В процессе работы обратноосмотической установки качество очищенной воды медленно, но непрерывно ухудшается: увеличиваются электропроводность и общее солесодержание очищенной воды. При этом в очищенной воде увеличивается содержание растворенных ионов и органических веществ: ионов аммония, нитратов, фосфатов, нефтепродуктов, СПАВ и др. С течением времени значения концентраций антропогенных загрязнений в фильтрате мембранной обратноосмотической установки могут превысить допустимые значения.
Обычно контроль за работой обратноосмотической установки ведется с помощью кондуктометров. Кондуктометрические измерения удельной электропроводности воды дают достаточное точное для инженерных расчетов представление о величине общего солесодержания воды. Оперативный анализ многих других показателей качества воды часто представляет трудоемкую задачу. По величине электропроводности воды невозможно определить показатели концентраций различных ионов и органических веществ. Однако с помощью кондуктометрических измерений можно легко и с большой точностью определять и прогнозировать кратность увеличения концентраций различных веществ по сравнению с их исходными концентрациями.
Увеличение концентрации солей в фильтрате установки обратного осмоса связано с явлением концентрационной поляризации - увеличения концентраций всех растворенных в исходной воде веществ в примембраном слое [1] (рис. 4).
По мере накопления на мембранах осадка органических и коллоидных веществ образующийся слой осадка затрудняет диффузию растворенных веществ от поверхности мембраны в основной поток воды в мембранном канале. Таким образом, концентрации растворенных веществ у поверхности мембраны, и, соответственно, в фильтрате возрастают. Увеличение концентраций растворенных веществ вследствие развития концентрационной поляризации растет аналогично кратности увеличению концентраций растворенных веществ в концентрате обратноосмотической установки при увеличении величины выхода фильтрата (отношения расхода фильтрата к расходу поступающей в установку исходной воды). Поэтому, определив значения концентраций различных веществ в фильтрате обратноосмотической установки при разных величинах выхода фильтрата (таблица 2), а также величину удельной электропроводности фильтрата, можно построить «калибровочные» кривые - зависимости значений показателей качества фильтрата от величины выхода фильтрата (рис. 5).
Зная величину электропроводности, можно определить соответствующие этой величине значения концентраций загрязнений. Калибровочные кривые выгодно представлять в виде зависимостей кратности увеличения значения концентраций ингредиентов от значения электропроводности фильтрата (рис. 6).
Оценка экономической эффективности модернизации и совершенствования оборотных водохозяйственных систем производится на основе оптимизационных расчетов. Для выбора экономически выгодного варианта решения и определения оптимальных параметров системы используют экономико-математические модели элементов систем водного хозяйства предприятия. Целевая функция системы водообеспечения предприятия с очисткой сточных вод до заданного уровня и повторном их использовании представляет собой сумму приведенных затрат на забор и транспортировку воды, отвод продувочной воды, на стабилизационную обработку оборотной воды, очистку добавочной и продувочной воды, очистку поверхностных и производственных стоков [3].
На основании этой модели можно найти оптимальное распределение потоков сточных вод, удовлетворяющих условию минимума суммарных приведенных затрат на подготовку, очистку и транспортировку воды. Распространенным приемом определения оптимума при сравнении альтернативных вариантов является графический метод поиска экстремума. Определение оптимального режима эксплуатации охлаждающей системы оборотного водоснабжения для рассматриваемого случая показано на рис. 7.
Экономическая целесообразность повторного использования сточных вод в системах промышленного водоснабжения выявляется путем сопоставления затрат на возведение этих сооружений с затратами, предусмотренными на возведение комплекса очистки и сбросом сточных вод в водные объекты. Представленный на рис. 7а экономический анализ сделан для традиционного случая работы оборотной системы, когда добавочная вода, забираемая из воды, проходит очистку (снижение мутности и цветности), а оборотная вода проходит стабилизационную обработку (дозирование ингибиторов образования минеральных солей и ингибиторов коррозии). Поэтому увеличение коэффициента концентрирования не влечет за собой увеличения затрат на обработку воды. Однако, как известно, такая реагентная обработка оборотной воды не позволяет поддерживать значение коэффициента концентрирования выше 3 вследствие ускорения коррозионных процессов и опасности роста карбонатных отложений при увеличении солесодержания воды. Затраты на обработку продувочной воды (с применением дорогостоящих систем обессоливания) падают при увеличении коэффициента концентрирования и, соответственно, уменьшении расхода продувочной воды.
На рис. 7б представлены зависимости приведенных затрат от режима работы оборотной системы для случаев, когда для подпитки оборотной системы используются очищенные хозбытовые стоки, прошедшие доочистку с применением системы обратного осмоса. Заполнение оборотной системы глубоко умягченной водой позволяет поддерживать высокие значения коэффициента концентрирования. Однако вследствие высокой стоимости мембранной системы обратного осмоса рассматривались случаи обработки не всей подпиточной воды, а ее части. Поэтому значения коэффициента концентрирования на рис. 7б соответствуют определенной части обработанной на мембранной установке воды (таблица 1).
Соответственно, при использовании мембранной установки для замены части подпиточной воды увеличиваются расходы на забор и транспортировку и сброс воды по сравнению со случаем подпитки системы только фильтратом обратноосмотической установки. На рис. 7в рассмотрен случай использования доочищенных сточных вод не только для подпитки оборотной системы, но и для целей технического водоснабжения и водоподготовки котельных комбината.
Такой подход не только уменьшает расход сточных вод, сбрасываемых в водоем, но и снижает величину общего солесодержания стоков.
Особого рассмотрения заслуживает проблема утилизации концентрата обратноосмотической установки. Для рассмотренного конкретного случая (обработки только части бытовых сточных вод) концентрат смешивается с основным потоком сточных вод, благодаря чему общее солесодержание сбрасываемых стоков увеличивается незначительно. В других случаях вопросы утилизации концентрата решаются на основании разработанных авторами технологий, описанных в предыдущих публикациях [4, 5].
Выводы:
1. Обобщение опыта использования воды в промышленности показало, что для решения задачи рационального водопользования необходимо совершенствовать системы промышленного водопользования и более широко использовать очищенные производственные, поверхностные и городские сточные воды в системах технического водоснабжения.
2. Технология обратного осмоса позволяет получить очищенную воду высокого качества, удаляя одновременно основные ионы, определяющие величину общего солесодержания, органические загрязнения и биогенные элементы.
3. Разработанные технологические решения по применению метода обратного осмоса для доочистки бытовых сточных вод позволяют изменить систему водного хозяйства предприятия, сократить забор свежей воды и уменьшить количество сточных вод, сбрасываемых в водоем.
Литература:
1. Mark Wilf. Guidebook to Membrane Technology for Wastewater Reclamation, 2010. Balaban Desalination Publishers.
2. Балабан-Ирменин Ю.В., Рудакова Г.Я., Маркович Л.М. Применение антинакипинов в энергетике низких параметров.
- М., Изд-во «Новости теплоснабжения», 2011.
3. Яковлев С.В. и др. «Комплексное использование водных ресурсов». Учебное пособие. - М., Высшая школа, 2005.
4. Первов А.Г. Решение проблем сброса сточных вод автономных промышленных объектов // Водоснабжение и сан. техника. 2011, № 11, с. 15-24.
5. Первов А.Г., Андрианов А.П., Юрчевский Е.Б. Совершенствование мембранных систем водоподготовки - исключение реагентов и стоков. // Водоочистка, Водоподготовка, Водоснабжение. 2012, №15, с. 44-50.
Журнал «Вода Magazine», №1 (65), 2013 г.
