На протяжении последнего десятилетия широкое распространение получили мембранные технологии очистки сточных вод. Ранее их применение считалось нецелесообразным вследствие высоких капитальных и эксплуатационных затрат. Однако, в результате возросшей потребности во вторичном использовании сточных вод, а также из-за резкого ужесточения требований к степени очистки, в настоящее время эти технологии рассматриваются как вполне конкурентоспособные всех мембранных систем наиболее широким исследованиям в отношении применимости для обеззараживания сточных вод были подвергнуты системы микро ультрафильтрации. Оба метода оказались эффективными в отношении полного удержания простейших и бактерий, однако лишь технология ультрафильтрации позволяет задерживать также и вирусы. В дополнение к своей обеззараживающей способности, мембранные технологии не вызывают проблем, связанных с удалением целевых микроорганизмов при изменении физико-химического качества воды поскольку подобные системы играют роль физического барьера по отношению к частицам, находящимся в воде.
Вместе с тем мембранным технологиям также присущи определенные эксплуатационные недостатки. Мембраны требуют постоянной промывки для предотвращения кольматации, а также периодической химической очистки для удаленных материалов, необратимо закупоривающих мембрану, что, в свою очередь, влияют на расход воды и трансмембранное давление.
Эти проблемы могут быть сведен к минимуму путем предварительной обработки исходной воды, например метод фильтрования через зернистую загрузку.
Все вышеописанные технологии позволяют получать очищенную воду, отвечающую стандартам на сточные воды, направляемые на повторное использование, и широко применяются для доочистки сточных вод. Цель настоящего исследования состояла в сравнении методов физико-химической очистки с обеззараживанием ультрафиолетом и мембранных технологий в отношении конечного качества очищенной воды и связанных с этим экономических затрат, имея в вид оценку применимости каждой системы.
Для данного исследования были сконструированы и изготовлены две опытные установки, работавшие в параллельном режиме (физико-химическая очистка с обеззараживанием ультрафиолетом и комбинация фильтрования через зернистую загрузку и ультрафильтрации). Предварительная обработка до обеззараживания УФ облучением состояла в дозировании сульфата алюминия (100 мг/л) в смеситель, осветлении во взвешенном слое осадка (гидравлическая нагрузка 0,8 м3/м2час) и фильтровании на напорном песчаном фильтре (эффективный размер зерен песка 0,8 мм, гидравлическая нагрузка 5,0 м3/м2час). Ультрафиолетовое облучение производилось на установке Aquada Maxima 2 (WEDECO) с лампами низкого давления (N = 40 Вт, = 253.7 нм), установленной после песчаного фильтра. УФ-установка была рассчитана на работу со скоростью потока 1,46 м3/час и обеспечивала дозу облучения 400 Дж/м2 для воды, имеющей коэффициент пропускания ультрафиолетового излучения 75 %. Однако, величина дозы изменялась в зависимости от скорости потока и от коэффициента пропускания ультрафиолета исходной водой согласно следующему выражению:
Использованная мембранная система представляла собой модуль ультрафильтрации FLAMEC (FILTERPar), оснащенный плоскими мембранами из поливинилиденфторида кассетного типа со средним размером пор 0,05мкм. Площадь фильтрующей поверхности составляла 35 м2; мембраны работали в погружном режиме при трансмембранном давлении (вакууме) от -0,1 до -0,6 бар. Режим работы включал 20 - минутную фазу фильтрования со скоростью 1 м3/час, за которой следовала 2 - минутная фаза промывки с интенсивностью 1,5 м3/час. Щелочная химическая очистка проводилась через каждые две недели (раствор NaOH 0,3 М и 12,5 % раствор NaCIO). Кислотная химическая очистка проводилась через каждые 30 дней (раствор H2S040,05 М) путем рециркуляции раствора в течение 1 часа. Система была установлена после песчаного напорного фильтра, наполненного кварцевым песком с эффективным размером зерен 0,8 мм, работающего при гидравлической нагрузке 8 м3/м2час. На рис. 7 представлена схема опытной установки.
Рис. 7. Схема опытной экспериментальной установки 1 - вторичный отстойник; 2 - песчаный фильтр; 3 - блок ультрафильтрации; 4 - смеситель; 5 - расходный бак коагулянта; 6 - осветлитель со взвешенным слоем осадка; 7 - УФ-лампа; 8 - резервуары; 9 - пробоотборники
Методика эксперимента:
Сравнительные исследования проводились с использованием городской сточной воды, биологически очищенной на канализационных очистных сооружениях г. Melilla, Испания. Экспериментальная установка работала в непрерывном режиме с ежедневным отбором проб исходной и очищенной воды. В качестве микробиологических параметров анализировалось общее содержание колиформных бактерий, E.coli, а также содержание колифагов (общее и в отфильтрованной пробе) и яиц нематод.
Пробы воды для бактериологического и вирусологического анализа отбирались в стерильные стеклянные бутылки емкостью 1 л и анализировались сразу же после отбора проб. Наличие общих колиформных бактерий и E.coli исследовалось с использованием метода мембранной фильтрации (UNE-EN ISO 9308-1). Для анализа колифагов применялся модифицированный метод двойного слоя агар-агара, описанный Adams [13], с использованием Escherichia coli С (АТТС 13076). Перед анализом 10 мл пробы или ее разбавления помещались в пробирку, содержащую 2 мл хлороформа. Пробирку энергично встряхивали, после чего оставляли отстаиваться в течение 20 мин.; хлороформ удалялся нагреванием пробы до 45 °С. Для определения колифагов, ассоциированных на взвешенных частицах, и колифагов в отфильтрованной пробе перед обработкой хлороформом пробы фильтровались через стерильный мембранный фильтр Millipore (0,22 мкм); для определения концентрации яиц нематод использовался модифицированный метод Bailenger [14]. Подсчет микроорганизмов производился с помощью камеры Мс Master. Для определения мутности использовался спектрофотометрический метод на длине волны 650 нм, тогда как концентрация взвешенных веществ определялась фильтрационным методом с применением фильтра 0,45 мкм согласно документу «Стандартные методы исследования воды и сточных вод» [15]. Коэффициент пропускания УФ излучения (UV2S37, %) водой, прошедшей физико-химическую обработку, осуществлялся с помощью г-спектрофотометра Heлios (фирма Thermo Spectronic). Для каждой пробы проводился анализ размера частиц с помощью прибора для подсчета частиц LiQuilaz-E-20 (фирма Particle Measuring System). Эта система методом дифракции с помощью лазерного луча определяет распределение частиц по размерам в области от 2 до 125мкм г. разрешением 1мкм.
В результате испытаний было выявлено следующее. Как физико-химическая обработка в сочетании с УФ облучением, так и система ультра-фильтрации с предварительным фильтрованием через песчаную загрузку могут рассматриваться в качестве технологий, пригодных для доочистки воды.
Обе системы обеспечивают очистку воды до требуемого качества как по физико-химическим, так и по микробиологическим показателям. Основное различие систем заключается в том, что схема физико-химической обработки в сочетании с УФ облучением не обеспечивает постоянства микробиологического состава, что главным образом объясняется колебаниями коэффициента пропускания ультрафиолетового излучения обрабатываемой воды, которые не всегда в достаточной степени корректируется дозой коагулянта. Основное различие в отношении качества обработанной воды выявляется с помощью анализа распределения частиц по размерам, причем по этому параметру качество воды, очищенной по мембранной технологии, заметно более высокое.
Тем не менее, в настоящее время мембранные системы пока еще остаются менее конкурентоспособными по сравнению с процессами физико-химической обработки в сочетании с УФ облучением, что, в частности, обусловлено высокой стоимостью монтажа оборудования и значительными издержками на замену мембран [Сравнительное исследование физико-химических методов доочистки и обеззараживания сточных вод и ультрафильтрации M. Gomez, F. Plaza, G. Garralon, J. Perez, M.A. Gomez, Журнал «Вода и экология» № 2/2008].
Физико-химические методы используют для очистки от растворенных примесей, а в некоторых случаях и от взвешенных веществ. Многие методы физико-химической очистки требуют предварительного глубокого выделения из сточной воды взвешенных веществ, для чего широко используют процесс коагуляции.
В настоящее время в связи с использованием оборотных систем водоснабжения существенно увеличивается применение физико-химических методов очистки сточных вод, основными из которых являются флотация, экстракция, нейтрализация, сорбция, ионообменная и электрохимическая очистка, гиперфильтрация, эвапорация, выпаривание, испарение и кристаллизация.
Флотация предназначена для интенсификации процесса всплывания маслопродуктов при обволакивании их частиц пузырьками газа, подаваемогов сточную воду. В основе этого процесса имеет место молекулярное слипание частиц масла и пузырьков тонкодиспергированного в воде газа. Образование агрегатов «частица - пузырьки газа» зависит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия содержащихся вводе веществ, избыточного давления газа в сточной воде и т. п.
В зависимости от способа образования пузырьков газа различают следующие виды флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, вибрационную, биологическую, электрофлотацию и др.
В настоящее время на станциях очистки широко используют электрофлотацию, так как протекающие при этом электрохимические процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточных вод. Кроме того, применение для электрофлотации алюминиевых или стальных электродов обусловливает переход ионов алюминия или железа в раствор, что способствует коагулированию мельчайших частиц механических примесей сточной воды. Образование дисперсной газовой фазы в процессе электрофлотации происходит вследствие электролиза воды. Основной составляющей электролизных газов является водород; при этом выделяется незначительное количество кислорода, хлора, оксидов углерода и азота.
При расчете электрофлотатора определяют расход газа, необходимого для обеспечения заданной эффективности очистки
qr=100Q(Co-Cк)6M,
где Co и Ск-концентрации маслопродуктов в исходной и очищенной сточной воде, кг/м3; М-удельная адсорбция маслопродуктов газовой фазой, л/кг. Затем находят силу тока для получения требуемого количества электролизного газа
I= qr/бr,
где бr- выход газа по току; бr = 0,0076 дм3 / (л-мин).
Расход водорода (дм/мин) в смеси электролизного газа
QH2=22,4qrбH(бrMH2)
где бH - электрохимический эквивалент водорода, бH = 0,627 мг/(А-мин); Mн2- молекулярная масса водорода.
Задают расход воздуха, подаваемого под границу раздела «сточная вода - воздух рабочей зоны» в камере флотации, исходя из соотношения q?50qн2 и определяют суммарный расход газовоздушной смеси, выходящей через открытую поверхность флотатора
qсм=qr+qв.
Выбирают удельный расход газовоздушной смеси через поверхность ценообразования щ = 300...600дм3/(м - мин) [6] и определяют площадь поверхности пенообразования f=qсм/щ.
Определяют объемную плотность тока (А/м3), обеспечивающую необходимую величину газонаполнения
j=(ц+0,261Kcp+0,1)/(0,022-0,011Kф),
где ц -степень газонаполнения сточной воды в процессе флотации; ц = 1...5дм3/м3; Кф = 0,3...1,2 -коэффициент формы флотационной камеры.
Находят объем и площадь поперечного сечения флотационной камеры V=I/j; F=(Kф3V)2 и затем ее основные размеры.
Экстракция сточных вод основана на перераспределении примесей сточных вод в смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей (сточной водыи экстрагента). Количественно интенсивность перераспределения оценивается коэффициентом экстракции
Kф=Cэ/Cв,
где Сэ и Св - концентрации примеси в экстрагенте и сточной воде по окончании процесса экстракции. В частности, при очистке сточных вод от фенола с использованием в качестве экстрагента бензола или бутилацетата Кз составляет соответственно 2,4 и8...12. Для интенсификации процесса экстракции перемешивание смеси сточных вод с экстрагентом осуществляют в экстракционных колоннах, заполненных насадками из колец Рашига.
Нейтрализация сточных вод предназначена для выделения из них кислот, щелочей, а также солей металлов на основе кислот и щелочей. Процесс нейтрализации основан на объединении ионов водорода и гидроксильной группы в молекулу воды, в результате чего сточная вода приобретает значение рН ? 6,7 (нейтральная среда). Нейтрализацию кислот и их солей осуществляют щелочами или солями сильных щелочей: едким натром, едким калием, известью, известняком, доломитом, мрамором, мелом, магнезитом, содой, отходами щелочей и т. п. Наиболее дешевым и доступным реагентом для нейтрализации кислых сточных вод является гидроокись кальция (гашеная известь). Для нейтрализации сточных вод с содержанием щелочей и их солей (сточные воды целлюлозно-бумажных и текстильных заводов) можно использовать серную, соляную, азотную, фосфорную и другие кислоты.
Теоретический расход щелочей (кислот) для нейтрализации содержащихся в сточных водах кислот (щелочей) определяют в соответствии с уравнениями реакций нейтрализации по формуле
q = сМэ/Мк
где с - концентрация кислоты (щелочи) или их солей в сточной воде; Мэ и Мкк - молекулярные массы щелочи (кислоты) и кислоты (щелочи) или их солей.
На практике используют три способа нейтрализации сточных вод:
- фильтрационный-путем фильтрования сточной воды через насадки кусковых или зернистых материалов;
- водно-реагентный -добавлением в сточную воду реагента в виде раствора или сухого вещества (извести, соды или шлака); нейтрализующим раствором может быть и щелочная сточная вода;
- полусухой -перемешиванием высококонцентрированных сточныхвод (например, отработанного гальванического раствора) с сухим реагентом(известью, шлаком) с последующим образованием нейтральной тестообразной массы.
Сорбцию применяют для очистки сточных вод от растворимых примесей. В качестве сорбентов используют любые мелкодисперсные материалы (золу, торф, опилки, шлаки, глину); наиболее эффективный сорбент - активированный уголь. Расход сорбента
т = Q(Сo-Ск)/д,
где Q-расход сточной воды, м3с; Со и Ск-концентрации примесей в исходной и очищенной сточной воде, кг/м3; а-удельная сорбция, характеризующая количество примесей, поглощаемых единицей массы сорбента, кг/с.