bbk 000000

УДК 628.35:62-278

Первов А. Г.

Решение проблем сброса сточных вод автономных промышленных объектов

Аннотация

Представлены новые технологии очистки сточных вод с помощью обратного осмоса без использования биологических методов. Основную сложность в применении процесса обратного осмоса представляет образование концентрата. Предложена технология, при которой расход концентрата сокращается до величины, не превышающей 1% общего расхода очищаемой воды (что соответствует расходу избыточного активного ила, поступающего на иловые площадки в установках биологической очистки). Поскольку объем концентрата зависит от солесодержания очищаемой воды, для снижения объема рекомендуется в систему водоснабжения объекта подавать воду с низким солесодержанием. Комплексный подход к решению проблемы уменьшения сброса сточных вод промышленного объекта в окружающую среду заключается в применении мембранных установок для водоподготовки (в котельных), очистки воды для хозяйственно-питьевых нужд, очистки сточных вод и их повторного использования для технических нужд (полива, контуров отопления).

Ключевые слова

сточные воды , концентрат , обратный осмос , солесодержание , рациональное водопользование , мемб­ранная установка

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Современная концепция рационального водопользования предполагает разработку и применение систем повторного использования воды на предприятиях с целью уменьшения забора свежей воды и сброса сточных вод.

Предлагаемый подход к решению задачи снижения общего количества сбрасываемых загрязнений заключается в применении на промышленных объектах для доочистки и повторного использования бытовых, производственных и ливневых стоков универсальных локальных очистных станций с технологией обратного осмоса [1]. Повторное использование биологически очищенных сточных вод, доочищенных с помощью систем обратного осмоса, находит все более широкое практическое внедрение [2].

Создание систем повторного использования бытовых сточных вод в производственных процессах является эффективным и окупаемым методом рационального водопользования. При наличии на предприятиях локальных систем биологической очистки стоков мембранные системы могут применяться для доочистки воды с целью ее повторного использования или сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения. Для многих объектов задача очистки бытовых сточных вод с целью их сброса в водоемы не может быть решена классическими методами биологической очистки.

Современные нормативные требования, предъявляемые к составу воды, сбрасываемой в водоемы рыбохозяйственного назначения, подразумевают глубокое удаление биогенных элементов (ионов аммония, нитритов, нитратов, фосфат-ионов). Для достижения такого уровня используются современные технологии биологической очистки (мембранные биореакторы и др.) [3; 4]. Это значительно усложняет и удорожает сооружения биологической очистки. Системы доочистки биологически очищенных сточных вод с применением систем обратного осмоса обеспечивают высокое качество доочищенной воды, что позволяет не только сбрасывать ее в водоемы рыбохозяйственного назначения, но и использовать для технологических нужд (подпитки систем отопления, охлаждения, водоподготовки котельных) и в технических целях (мойка автомобилей, полив).

В ряде случаев системы обратного осмоса используются для очистки бытовых сточных вод напрямую без биологической очистки [3]. На рис. 1, а, б представлены разработанные автором системы обратного осмоса для очистки бытовых сточных вод отдельных объектов (частных домов, гостиниц, предприятий). Такие системы устанавливаются в цокольном этаже зданий и забирают сточную воду непосредственно из канализационного стояка. Очищенная вода направляется на повторное использование, а концентрат и осадок сбрасываются в канализацию (рис. 1, б, в). Применение мембранной установки позволяет утилизировать до 90% сточной воды. Однако для большинства объектов встает вопрос утилизации концентрата. Для оценки возможного уменьшения расхода концентрата автором проведены пилотные испытания мембранной установки ВПСМ-II-0,3-8, работающей по принципу «глубокого концентрирования» – уменьшения объема концентрата сточной воды в две ступени (рис. 2).

Двухступенчатая пилотная установка ВПСМ-II-0,3-8 предназначена для изучения возможности очистки и доочистки сточных вод с целью их повторного использования (рис. 2, а). На рис. 2, б показана система ВПСМ-II-0,3-8 во время ее промышленных испытаний на очистных сооружениях одной из компрессорных станций Газпрома. Технологическая схема и оборудование позволяют подбирать мембраны и режимы работы установки (глубину очистки воды, соотношение расходов очищенной воды и сбрасываемого концентрата, рабочее давление) в зависимости от состава сточных вод.

Обратноосмотические мембраны позволяют удалять из воды растворенные ионы солей, в том числе биогенные элементы: ионы аммония, нитрат- и нитрит-ионы, фосфаты, а также растворенные органические вещества, обобщенно представляемые показателем биологической потребности в кислороде (БПК). Применение обратноосмотических мембран на первой ступени очистки позволяет удалить из воды все загрязнения, снизив их содержание до величин, определяемых современными нормативами на качество воды, сбрасываемой в водоемы рыбохозяйственного назначения. Использование второй ступени очистки с мембранами нанофильтрации без больших энергозатрат снижает объем концентрата до 1% и ниже (от общего объема очищаемой воды).

В установке биологической очистки избыточный активный ил удаляется после отстаивания и направляется на иловые площадки. При этом объем воды в избыточном иле (его влажность) не превышает 1% общего объема очищаемой воды. Таким образом, задача обратного осмоса состоит не только в получении высококачественной воды, но и в снижении объема концентрата до 1% и менее от общего расхода очищаемой воды. Концентрат первой ступени (20% общего расхода) направляется на вторую ступень, где концентрируется с помощью нанофильтрационных мембран NE с селективностью 70%. Фильтрат второй ступени смешивается с исходной водой. Сконцентрированный в 100 раз по объему раствор имеет солесодержание 25–30 г/л, поэтому для обеспечения производительности мембран второй ступени 60–80 л/ч используются последовательно насосы Speroni (6 бар) и Ebara (8 бар), поддерживая рабочее давление на уровне 14–15 бар.

Технологическая схема мембранной установки представлена на рис. 3. Исходная вода (в данном случае вода, прошедшая биологическую очистку) подается в приемный бак-отстойник 4, откуда переливается в бак концентрирования исходной воды 5. При его наполнении поплавковый выключатель 25 отключает магнитный клапан подачи исходной воды 2. Расход исходной воды регулируется вентилем 3 и замеряется с помощью счетчика 1. Из бака 5 вода насосом 7 подается в мембранные аппараты первой ступени 10. Фильтрат (прошедшая через мембраны вода) направляется на сброс на рельеф или в баки хранения воды для ее повторного использования. Давление в аппаратах первой ступени 10 поддерживается на уровне 8 бар и регулируется
с помощью вентиля 11 и манометра 15.

Концентрат первой ступени с помощью крана байпаса 13 возвращается в приемный бак 4 и далее, через перелив, в бак 5. Часть концентрата первой ступени (1/4–1/5 расхода фильтрата первой ступени) направляется в приемный бак-отстойник установки второй ступени 16 для дальнейшего концентрирования. Для удаления взвешенных и коллоидных веществ, осаждающихся на мембранах, используется их гидравлическая промывка со сбросом давления. Промывки состоят в открытии магнитного клапана 12, расположенного на тракте концентрата первой ступени. При его открытии резко падает рабочее давление в тракте концентрата, и увеличенный расход «срывает» загрязнения с мембран и направляет их в бак-отстойник. Для увеличения расхода при промывке используется бак-гидроаккумулятор 8.

Установка второй ступени служит для концентрирования (уменьшения объема) концентрата первой ступени. Из приемного бака 17 концентрат первой ступени насосами 18 и 19 подается в мембранный аппарат второй ступени 20 с нанофильтрационными мембранами (селективность по солям 70%). Производительность мембран второй ступени зависит от солесодержания сбрасываемого концентрата первой ступени. При снижении расхода концентрата второй ступени до 1% расхода сточной воды, поступающей на очистку, солесодержание концентрата увеличивается до 25–30 г/л. При этом производительность мембран второй ступени снижается. Для работы установки второй ступени используются насосы 18 и 19, расположенные последовательно, что позволяет развивать рабочее давление 12–14 бар. Регулировка давления и расхода концентрата второй ступени осуществляется с помощью вентиля 22 и манометра 15. В процессе выхода пилотной установки на рабочий режим производительность мембран второй и первой ступеней постоянно падает. На рис. 4, а, б показаны рост общего солесодержания концентратов первой и второй ступеней в процессе выхода на режим и снижение производительности мембран.

После аппаратов второй ступени фильтрат возвращается в приемный бак исходной воды 4 (рис. 3). Часть концентрата, составляющая 1% от поступающей на очистку воды, сбрасывается с установки (направляется на иловые площадки вместе с осадком), а основная часть с помощью крана байпаса 23 поступает в приемный
бак 16.

Удаление накопленного осадка из баков-отстойников 4 и 16 производится с помощью кранов 27. Контроль качества фильтрата и концентрата на первой и второй ступенях ведется с помощью пробоотборников 29, контроль расходов фильтрата первой ступени и концентрата второй ступени – по ротаметрам 14 и 24.

Удаление осадка с поверхности мембран второй ступени осуществляется в процессе гидравлических промывок путем открывания магнитного клапана 21. Насос первой ступени отключается поплавковыми выключателями 25 при заполнении бака 17 концентратом первой ступени и при опорожнении бака исходной воды 5. Насосы второй ступени 18 и 19 отключаются при опорожнении бака концентрата 17 с помощью поплавкового выключателя 26. Магнитные клапаны 12 и 21 открываются по команде программного устройства. Частота и продолжительность промывок задаются по программе. Открытие клапанов производится через 2–3 часа непрерывной работы (на 10–20 секунд).

Для автономного промышленного объекта (промышленной площадки), который потребляет свежую воду из водоисточника и сбрасывает сточные воды в окружающую среду, загрязняя поверхностный сток, задача очистки и рационального повторного использования сточных вод может решаться комплексно с использованием мембранных установок различного назначения. В этом случае можно получить максимальный экологический и экономический эффект.

Сущность комплексного подхода заключается в следующем. Из рис. 4 и данных табл. 1 видно, что объем сбрасываемого концентрата мембранной установки определяется величиной общего солесодержания исходной сточной воды и «возможностями» мембран – максимально достижимой в процессе концентрирования сточной воды величиной общего солесодержания сбрасываемого концентрата. Экспериментально установлено, что эта величина составляет порядка 30 г/л (табл. 1). При достижении более высоких концентраций солей резко падает производительность мембран, и необходимо повышение рабочего давления, что требует применения другого насосного оборудования и увеличения затрат на электроэнергию.

Таким образом, для уменьшения сбросного расхода концентрата можно либо увеличивать концентрацию солей в фильтрате, отводящемся с установки, либо понизить солесодержание поступающей на очистку сточной воды. Увеличить солесодержание фильтрата можно путем смешения с фильтратом первой ступени части фильтрата второй ступени. При этом наряду с повышением солесодержания в фильтрате увеличивается содержание ионов аммония, нитрат-ионов и фосфат-ионов. Поэтому такое смешение следует делать в случаях, когда очищенная вода направляется на повторное использование и по своему качеству соответствует требованиям к воде, используемой для полива, автомойки, подпитки систем охлаждения и т. д.

Для снижения величины общего солесодержания хозяйственно-бытовых стоков при подготовке питьевой воды следует использовать мембранные системы обратного осмоса [1; 4]. Общее солесодержание бытовых стоков определяется содержанием солей в воде, используемой для бытовых нужд, и количеством солей,
поступающих в воду с продуктами жизнедеятельности человека. Кроме того, величина общего солесодержания хозяйственно-бытовых стоков в большой степени зависит от режима работы системы водоподготовки котельной. Применяемые для этого установки Na-катионирования во время регенерации «сбрасывают» в канализационную сеть концентрированные регенерационные растворы поваренной соли, при этом солесодержание поступающих на очистную установку сточных вод вырастает вдвое. Использование системы обратного осмоса для водоподготовки котельной позволит ликвидировать солевые стоки.

Для рационального использования природной воды и снижения количества сбрасываемых стоков можно уменьшить общее потребление воды путем внедрения системы повторного использования очищенных сточных вод, направляя их в котельную, подпитывая контуры отопления и охлаждения, используя ее для полива и на участке мойки автомобилей с замкнутым циклом. Ливневые воды промышленной площадки также очищаются с помощью установки обратного осмоса и повторно используются для тех же целей.

Ниже представлен пример комплексного использования воды при водоснабжении и водоотведении промышленной площадки газовой компрессорной станции (объект Газпрома).

На рис. 5 и 6 представлены схемы водоснабжения и водоотведения промышленной площадки. В первом (существующем) варианте исходная артезианская вода проходит очистку на установке обезжелезивания, после чего поступает в пищеблок, водоразборные краны, туалеты и душевые. Кроме того, очищенная вода поступает в систему водоподготовки котельной, используется для подпитки систем отопления, оборотных контуров охлаждения компрессорного оборудования, а также для полива или мойки автомобилей. Бытовые сточные воды проходят очистку и доочистку на станции биологической очистки сточных вод, куда также поступают стоки установки водоподготовки котельной. Ливневые стоки очищаются отдельно.

При использовании систем обратного осмоса (рис. 5, б) для подготовки хозяйственно-питьевой воды получают воду со сниженной концентрацией солей жесткости, железа и общего солесодержания, благодаря чему снижается общее солесодержание бытовых стоков. В случае применения установки мембранной очистки удается минимизировать сбросной расход концентрата сточных вод (табл. 2). Поступление на очистку сточных вод с низкой жесткостью дает дополнительные преимущества при глубоком концентрировании сточной воды в установке обратного осмоса, сведя к минимуму опасность образования на мембранах осадка карбоната кальция. При норме водоотведения 200–250 л/(сут·чел) концентрация солей увеличивается всего на 35–50 мг/л. Поэтому использование на хозяйственно-бытовые нужды воды с низким солесодержанием (не более 100 мг/л) дает возможность легко концентрировать стоки методом обратного осмоса, доводя объем концентрата до менее 0,7–1% исходного объема воды.

Очищенная вода используется повторно для технических целей: для подготовки питательной воды паровой котельной, для подпитки контуров отопления, охлаждающей воды, для полива и подпитки оборотного контура участка мойки автомобилей. Для подготовки питательной воды паровых котлов используется вода с жесткостью 15–19 мкг-экв/л, поэтому требуется малая производительность (100 л/ч) системы обратного осмоса.

Ливневые воды промышленной площадки собираются в специальный резервуар и направляются на очистку с помощью отдельной системы обратного осмоса [1]. После очистки ливневые воды используются для полива или мойки автомобилей. Установка очистки ливневой воды может быть совмещена с установкой очистки сточных вод автомойки. Данные по расходам воды на промышленной площадке представлены в табл. 3. Сравнительные показатели расходов потребляемой воды и стоков по двум рассмотренным вариантам приведены в табл. 4.

Выводы

С целью уменьшения объемов забора свежей воды и сброса сточных вод для очистки, доочистки и повторного использования бытовых, производственных и ливневых стоков предлагается применять универсальные локальные очистные станции. Создание систем повторного использования бытовых сточных вод является эффективным и окупаемым методом рационального водопользования.

Список цитируемой литературы

1. Первов А. Г., Андрианов А. П., Эльпинер Л. И., Кочарян А. Г. Применение обратного осмоса как универсального метода очистки сточных вод – ключ к повторному использованию воды и уменьшению загрязнения поверхностных вод // Водоснабжение и канализация. 2010. № 5–6.
2. Первов А. Г., Смирнов Д. Г., Мотовилова Н. Б. Мембранные технологии для доочистки сточных вод и их повторного использования // Водоснабжение и сан. техника. 2009. № 7.
3. Аbdel-Javad M., Ebrahim S. Advanced technologies for municipal wastewater purification: tecqnical and economic assessment // Desalination. 1999. V. 124.
4. Del Pino M. P. Wastewater reuse through dual-membrane processes: opportunities for sustainable water resources // Desalination. 1999. V. 124.