2.2.4. Мембранная очистка фильтрационных вод полигонов ТБО

Применение мембранных технологий позволяет одновременно очищать воду от органических и неорганических компонентов, бактерий, вирусов. В зависимости от прикладываемого давления и размера пор различают: микро­фильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и обратный осмос.

Выбор мембранного метода определяется составом очищаемых вод, техно­логической задачей и требуемой эффективностью очистки.

Высокое солесодержание фильтрата предусматривает использование мембранных технологий для доочистки фильтрационных вод, т.к применение ионообменных методов при таких высоких концентрациях нерентабельно. В этом случае мембранная технология может быть использована в качестве альтернативы сорбционным методам.

Основными требованиями к мембранам являются:

— разделяющая способность;

— удельная производительность;

— механическая прочность и химическая стойкость;

— биологическая и тепловая стойкость;

— стоимость и утилизируемость мембран.

Движущей силой баромембранных процессов является давление. Применение мембранных технологий всегда связано с концентрированием растворов (концен­трационная поляризация) и концентрата, составляющего 1/10 часть объема всего профильтрованного фильтрата [93].

Вредное влияние концентрационной поляризации можно снизить при интенсивном перемешивании раствора. К тому же мембранам присуще быстрое загрязнение, особенно органическими веществами, что при эксплуатации баро-мембранных установок может настолько ухудшить технико—экономические по­казатели процесса, что все остальные преимущества будут сведены к нулю.

Осадкообразование приводит к снижению производительности, увеличению перепада давления и снижению селективности мембран. Вода переходит из при-мембранного слоя, и концентрация растворенных веществ у поверхности мембран возрастает (концентрационная поляризация).Негативное влияние концентрацион­ной поляризации можно снизить интенсивным перемешиванием раствора, очисткой поверхности мембран, эффективной предочисткой перед мембранами.

Загрязнение мембран вызвано повышением рН в контуре рассола в резуль­тате переноса через мембрану угольной кислоты СО2 и сдвигом карбонатно — каль­циевого равновесия в системе Са(НСО3)2«СО2+Н2О+СаСО3 вправо, что сопро­вождается выпадением карбоната кальция на мембранах. Переход в пермеат уголь­ной кислоты приводит к повышению рН и выпадению из раствора на поверхности мембран гидроксидных соединений тяжелых металлов Бе (ОН)3, А1(ОН)3, Мп(ОН)2.

Образующийся слой осадка создает сопротивление потоку и массопередаче в гра­ничном слое, в результате чего снижается производительность мембран и их солее-задерживающая способность. Анализ зависимости водопроницаемости и селектив­ности от продолжительности работы мембран (ф. БіІішек) представлен на рис. 2.13.

Накопление растворенного вещества у поверхности мембран увеличивает осмотическое давление раствора в приграничном слое. Осмотический поток умень­шает массоперенос через мембрану, что встречается в условиях концентрационной поляризации при обратном осмосе и при ультрафильтрации.

Компенсировать потерянную производительность можно увеличением рабо­чего давления, но при этом усиливается перенос растворителя через мембрану, что является причиной возрастания концентрационной поляризации, что приводит к уплотнению и утолщению слоя осадка. Для каждой системы «мембрана—раствор» существует некоторое критическое давление, выше которого удельная производи­тельность не растет [93].

В основном в зарубежной, но в последнее время и в отечественной практике мембранные технологии используют для очистки (доочистки) фильтрационных вод полигонов ТБО.

Несмотря на ряд недостатков, методы, основанные на использовании мембранных технологий, широко используются для очистки природных и в послед­нее время сточных вод. Расширение области применения явилось причиной необходимости разработки новых мембранных материалов, удовлетворяющих следующим требованиям:

- стабильность эксплуатационных характеристик;

- механическая прочность;

- низкая стоимость;

- высокая производительность;

- высокая селективность;

- химическая стойкость.

Это подтверждается практическим опытом эксплуатации мембранной установки фирмы РаП-Яопет на полигоне №5 (рис. 2.14.), где подача дренажной воды без соответствующей предподготовки на мембраны требует их частой промывки и большого расхода промывных растворов, а иногда и замены мембран. Для утилизации образующегося концентрата после ультрафильтрации его можно направить на аэробную или анаэробную очистку, также возможно направить концентрат в пруд-накопитель или обработать небольшими дозами озона, а затем в пруд -накопитель.

Фильтрат полигона ТБО

 

Выход в атмосферу

Имеющийся опыт эксплуатации обратноосмотических установок показывает, что при очистке дренажных вод на поверхности мембран образуются плотные осадки сульфата и карбоната кальция, гидроксидов железа, малорастворимых соеди­нений тяжелых и цветных металлов, что приводит к резкому ухудшению раз­делительных характеристик мембран и снижению их удельной производительности. Мембрана нуждается в очистке, если ее производительность снижается на 10-15%. Этот процесс требует выключения части системы, большого количества реагентов, а иногда и вовсе замены мембраны, что резко увеличивает стоимость и так не дешевого процесса очистки. Для повышения эффективности работы мембраны, продления ее срока службы рекомендуется проводить предмембранную очистку. В качестве последней зачастую рекомендуется проводить нанофильтрационную очистку. Нанофильтрационная мембрана имеет значительно больший размер пор ( 1-20 нм), по сравнению с обратноосмотической (0,1-0,2 нм) и значительно меньшую величину внешнего прикладываемого давления соответственно: 3-10 атм. и 10-25 атм. Но согласно последним исследованиям этот вариант экономически нецелесообразен, т.к. требует частой регенерации мембран и большого расхода промывных расходов [28].

Для предварительной обработки [30] зачастую рекомендуют применять хлорирование, адсорбцию на активном угле, а также реагентное коагулирование с помощью извести.

Таким образом, сорбционные методы имеют низкую эффективность при предподготовке. Сейчас вопрос по адсорбционной активности углей дополнитель­но изучается. Предполагается оценить адсорбционную способность угля АГ-3 (каменноугольный), и углей производства фирмы ЗихсНтГе 8реактап 207С (на ко­косовой основе), 207ЕА (каменноугольный). Хотя эксперименты по адсорбционной способности для питьевой воды показали значительное преимущества угля марки «Фильтросорб» - 300.

Эффективность окислительных методов при предподготовке тоже невелика. При использовании гипохлорита кальция обесцвечивание происходило на 90 %, а снижение ХПК не превышало 10 %. При использовании в качестве окислителя озона результаты были следующими— обесцвечивание не более 70 %, а ХПК снижалось лишь на 7 %.

При исследовании коагуляционных методов на примере фильтрата полигона №5 (Киевская область) были сделаны следующие выводы: наиболее эффективным коагулянтом является основной сульфат алюминия, который позволяет достичь 50%-ной степени очистки по ХПК и 80%-ного обесцвечивания. Более того, фильтрат после предварительной обработки основным сульфатом алюминия и последующей обратноосмотической очистки полностью отвечал нормам к сбросу вканализационную сеть (согласно экспериментальным данным, полученным на полигоне №5).

Согласно схеме фильтрат полигона поступает на узел предварительной очистки для удаления грубых дисперсных примесей, далее - непосредственно на мембранную установку под давлением 65 бар, где разделяется на 2 потока: пермеат и концентрат. Пермеат после первой ступени под давлением 120 бар направляется на 2-ю ступень. В результате фильтрации образуется очищенный фильтрат (78 %) и концентрат (22 %), содержащий все исходные загрязнения в более высокой концентрации.

Установлено, что использование обратного осмоса эффективно лишь при наличии предварительной очистки.

Снижение экологической безопасности в процессе мембранной очистки возможно в результате осадкообразования.

В Украине применение мембранных технологий для очистки фильтрацион­ных вод полигонов ТБО нашло применение в Киеве в лице ф. Яовпет. Эффективность работы установки ф. ЯобИєш приведена в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Эффективность работы установки мембранной очистки ф. Яовпет

Показатель

Исходный фильтрат

Фильтрат после очистки

СПАВ

2,7

0,18

Железо

1,25

0,03

Взвешенные вещества

81,5

1,5

Никель

0,12

Нефтепродукты

2,0

0,3

БПК5

157,2

1,3

ХПК

2235

78

Хлориды

3019,5

12,5

Фосфаты

32,8

Азот аммонийный

65,24

7,5

Сульфаты

345

146

Цинк

0,5

0,08

Нитраты

13,47

0,61

Результаты исследований использованы при подготовке патента «Спосіб очищення природних і стічних вод» [82, 84, 91, 98]: сточная вода очищается путем реагентной коагуляции и последовательного использования нанофильтрационной иобратноосмотической мембран. Этот способ отличается тем, что раствор коагулян­та перед введением в воду, подвергают магнитной обработке и электрокоагуляции.

Данный способ может быть использован при очистке сточных вод в ком­мунальном хозяйстве, химической, теплоэнергетической и других областях промышленности.

Следует отметить, что известен способ очистки сточных вод с помощью химической обработки реагентами и адсорбции на гранулированном активирован­ном угле [24].

Указанный способ предусматривает поэтапную физико-химическую очистку с использованием коагулянта сульфата алюминия в качестве реагентной очистки и гранулированного активированного угля в качестве адсорбционной очистки, которая создает определенные сложности при эксплуатации установки и предусматривает высокие капитальные и текущие затраты.

Наиболее близким к предложенному является способ очистки сточных вод путем реагентной коагуляции и последовательного использования нанофильтра-ционной и обратноосмотической мембран [28, 29, 30].

Недостатками способа являются значительные затраты электроэнергии, необходимой для работы насосов, при прохождении воды сквозь мембраны и закупорка нанофильтрационных мембран.

В основу предлагаемой технологии поставлена задача усовершенствова­ния способа очистки сточных вод, в котором путем оптимизации технологичес­кого режима обеспечивается интенсификация процесса очистки за счет повы­шения адсорбционной емкости гидроксида алюминия, который образовался в процессе очистки, за счет чего уменьшаются затраты реагентов, повышаются качественные показатели очищенной воды.

Поставленная задача достигается благодаря тому, что в способе очистки сточных вод путем реагентной коагуляции и последовательного использования нанофильтрационной и обратноосмотической мембран, согласно формуле, раствор коагулянта перед введением в воду подвергают магнитной обработке и электрокоагуляции [84, 91, 101, 103].

Эффективность предложенного способа в сравнении с известным способом представлена в таблице 2.5.

Таблица 2.5 - Эффективность предлагаемого комбинированного способа очистки

 

 

Доза коагулянта, мг/дм3

Показатели очищенной воды

Улучшение показателей в сравнении с известным способом, %

Способ

3

м

О

г

В

Взвешенные вещества, мг/дм3

3

м

д

О

и

%

« В

X

Цветность, град.

3

м

О

г

В

Взвешенные вещества, мг/дм3

3

м

О

г

в

X

Цветность, град.

Известный

375

62,5

41,2

654,5

115

-

-

-

-

Предложенный

150

49,25

31,6

504,8

67

21,2

23,4

21,8

42,3

а» *|

375

25,94

20,9

376,92

17

58,5

49,2

41,6

85,3

*'

550

36,5

26,45

429,91

39

41,6

35,8

33,4

66,4

Таким образом, предложенный способ очистки сточных вод позволяет интенсифицировать процесс очистки по сравнению с известным способом, уменьшить затраты реагентов, улучшить качество очищенной воды, при этом себестоимость очистки воды уменьшается на 20-25% [81, 85, 91].