.RU

Очистка сточных вод биомембранным методом


ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД БИОМЕМБРАННЫМ МЕТОДОМ.

Швецов В.Н., Морозова К.М., Киристаев А.В.

НИИ ВОДГЕО, Москва, Россия


Введение

Сооружения биологической очистки достаточно эффективны, однако не всегда удовлетворяет современным требованиям к сбросу очищенных сточных вод в водные объекты. В связи с этим, вопросы интенсификации процесса, повышения глубины очистки и экономической эффективности получают возрастающий интерес.

За последние 15 лет на мировом рынке появились принципиально новые типы ультра- и микрофильтрационных мембран, в частности половолоконные, которые обладают высокой пропускной способностью при низких перепадах давления. Сочетание биологических и мембранных методов (для отделения очищенной воды от активного ила) в одном сооружении имеет большие перспективы. Первоначально мембраны использовались как элемент доочистки сточных вод после вторичного отстойника. В зависимости от типа используемых мембран они обеспечивали удаление из воды взвешенных веществ и части коллоидных соединений. При этом никакого влияния на параметры работы биологического реактора они не оказывали. На современном этапе мембранное разделение включается непосредственно в процесс биологической очистки вместо вторичных отстойников, являясь непосредственным элементом технологии очистки и существенно влияя на параметры и условия функционирования биоценоза.

В России аналогичные установки только начинают появляться, а исследования в этом направлении практически не проводились. В связи с этим возникла необходимость в создании отечественных принципиально новых гибридных биотехнологий с использованием половолоконных микрофильтрационных мембран для биологической очистки сточных вод

С 2003 года в институте ВОДГЕО проводятся интенсивные исследования биомембранных процессов для очистки природных и сточных вод на лабораторных и пилотных стендах [1, 2]. В очищенной воде после биологической очистки производственных сточных вод присутствуют органические вещества (продукты метаболизма, не окисленные загрязнения и т.п.), которые относятся к трудноокисляемым соединениям. Эти воды характеризуются высоким значением ХПК по отношению к БПК. Отношение БПК к ХПК составляет 0,02-0,1. Часто эти стоки имеют высокую цветность. Несмотря на то, что ХПК не нормируется при сбросе биологически очищенных вод в водоем, нередко требуется ступень доочистки для дополнительного снижения ХПК. Биологические методы доочистки не способны качественно удалять остаточное ХПК, БПК, взвешенные вещества, цветность, а физико-химические методы не всегда применимы из-за высоких затрат на оборудование и реагенты. В НИИ ВОДГЕО была разработана биотехнология (биосорбция) для доочистки вод различного состава, однако относительно высокие энергозатраты для поддержания гранулированного сорбента в псевдоожиженном состоянии ограничивают широкое применение биосорберов в схемах доочистки. Одним из путей снижения энергозатрат при эксплуатации биосорберов служит замена гранулированного угля порошкообразными сорбентами. Совмещение биосорбционной технологии (с использованием порошкообразных носителей) и мембранной фильтрации позволяет существенно расширить область их применения, снизив при этом эксплуатационные затраты. Для создания эффективной технологии доочистки требуется определить роль мембранной фильтрации в процессе доочистки биологически очищенной воды, изучить закономерности биологического процесса в условиях полного накопления биомассы в биореакторе. Необходимо оценить технологические параметры доочистки биологически очищенных стоков в биомембранных установках с использованием порошкообразных сорбентов (биосорбция) с точки зрения эффективности процессов окисления и нитрификации, а также исследовать влияние высокомолекулярных соединений и продуктов метаболизма на процесс доочистки.

Методы

Лабораторная установка мембранный биореактор (МБР) выполнена в виде реактора, представляющего собой цилиндрическую колонку из оргстекла объемом 2,0 литра, в которой вертикально расположены половолоконные мембранные модули с эффективной фильтрационной площадью около 0,1 м2 и размером пор 0,22 мкм. Наружный диаметр волокна составлял 0,7 мм, внутренний 0,5 мм. Количество волокон в модуле 75-90 шт. Мембрана смонтирована на каркасе, что исключает критический перегиб и спутывание волокон. Расчетная производительность установки 5-10 л/сут, при средней расчетной удельной пропускной способности мембран до 1,0 м3/м2/сут.(м вод.ст.), расчетный перепад давления на мембранах – 0,5 – 3 м вод.ст. Параллельно работала лабораторная установка биомембранный реактор с порошкообразным углём (БМР), конструктивно аналогичная установке МБР, рабочим объёмом 2 литра, количество порошкообразного активированного угля (ПАУ) марки ОУ-А в реакторе 30-40 г. В качестве субстрата была выбрана выходящая после вторичных отстойников вода от производства картофельных чипсов. Биологически очищенный сток характеризовался высокой цветностью 80-140 гр. ПКШ, ХПК – 50-120 мг/л, БПК – 5-25 мг/л, азот аммонийный 2-12 мг/л.

Результаты и обсуждение

Для сравнительного анализа работы установок приведены усреднённые данные после выхода БМР на стабильный режим работы, поскольку в БМР был засыпан свежий ПАУ, и в начальный период в течение 25 суток наблюдалось более глубокое удаление органических загрязнений в основном за счёт процессов сорбции. Результаты работы лабораторных установок за период эксперимента представлены на рис. 1-2. На рис.1. видно, что при подаче на установки биологически очищенной сточной воды с ХПК в среднем 54,5 мг/л, ХПК очищенной воды в БМР составляло 27-31мг/л; а в мембранном биореакторе - до 43 мг/л. Эффективность очистки по ХПК за период исследований в БМР составила 44 %; в МБР – 22 % (рис. 1).




Рис. 1: Изменение концентрации органических загрязнений по ХПК и эффективность очистки




Рис.2: Изменение концентрации аммонийного азота на МБР и БМР


В процессе доочистки биологически очищенных сточных вод во всех лабораторных установках имела место нитрификация. Концентрация аммонийного азота в МБР снижалась в среднем с 11,8 мг/л до 2,5 мг/л в МБР и до 1,3 мг/л в БМР. В МБР нитрификация осуществлялась за счет накопления в нем биомассы активного ила и, соответственно, нитрификаторов. Процесс нитрификации сопровождался увеличением нитратов в очищенной воде во всех установках практически на эквивалентное количество убыли азота аммонийного без значительного увеличения концентрации азота нитритов. Содержание взвешенных веществ в выходящей воде после мембранных биореакторов снижается практически до нормативных показателей (1 мг/л) и ниже. В мембранном биореакторе (МБР) имело место накопление активного ила, концентрация активного ила возросла с 0,08 г/л до 0,8 г/л.

Цветность поступающей воды составляла в среднем 128 град., при этом цветность очищенной воды в БМР достигала значений 48 град., в МБР - до 104 град ПКШ (Рис. 3). Эффективность очистки в МБР составляла 18,6 %, в БМР – 62%.

Необходимо обратить внимание на накопление в мембранных биореакторах не только взвешенных веществ (активного ила), но и органических загрязнений по ХПК и цветности. К концу эксперимента внутри МБР концентрация органических загрязнений по ХПК достигла 270 мг/л и цветность 190 град., однако в биосорбционно-мембранном реакторе (БМР) ХПК и цветность, соответственно, составляли 160 мг/л и 88 град ПКШ.



Рис.3: Удаление цветности на МБР и БМР и эффективность




Рис. 4: Материальный баланс по ХПК в МБР и БМР (в %)


Выполненный материальный баланс по ХПК показал, что в мембранном биореакторе только 20,83 % из поступившей органики окисляется, 3,55 % накапливается и 75,62 % выходит с очищенной водой (в пермеате), в то же время в биореакторе с углем накапливается всего лишь 1,25 % органических веществ по ХПК и 53,13 % окисляется (Рис. 4). Материальный баланс по цветности показал, что в мембранном биореакторе цветность снижается только на 15% за счет окисления органических загрязнений, 2 % накапливается и 83 % уходит с очищенной водой, в то же время в БМР накапливается всего лишь 0,4% цветности и 66 % удаляется за счет окисления.

В результате лабораторных исследований установлено, что применение биомембранной технологии на стадии доочистки биологически очищенных сточных вод позволяет:

- получить очищенную воду, удовлетворяющую современным нормативам по взвешенным веществам (до 0-1 мг/л);

- снизить остаточное ХПК – на 22 %, цветность – на 18 %; аммонийный азот – на 75 %;

- использовать порошкообразные сорбенты на стадии доочистки, эта технология может рассматриваться как альтернативная биосорбционному методу;

- биосорбционно-мембранная очистка снижает остаточное ХПК до 45 % и цветность – 62%, аммонийный азот – на 89%.

Дальнейшие исследования проводились по очистке городских сточных вод на пилотной установке с целью изучения основных закономерностей и особенностей процессов биологической очистки в мембранных биореакторах; оценки предельных возможностей биомембранной технологии с использованием активного ила по производительности (окислительная мощность) и по глубине удаления органических загрязнений и соединений азота. Пилотная установка производительностью до 240 л/сут. была смонтирована на очистных сооружениях г. Подольска в здании решеток. Подача исходной сточной воды на установку производилась непосредственно из канала после механических решеток и процеживания через сетку с размерами ячейки 1 мм.

Средние показатели качества исходной воды, подаваемой на установку за период исследований составляли: взвешенные вещества - 90-200 мг/л; ХПК -180-300 мг/л; БПКполн.-120-210 мг/л; азот аммонийный – 17-30 мгN/л; азот органический - 8-22 мгN/л; фосфор - 2,3-4,0 мгР/л. Эффективная фильтрационная площадь половолоконных мембран (с размерами пор – 0,04 мкм) составляла 0,93 м2. Трансмембранное давление поддерживалось в пределах 0,5-5,0 м.вод.ст. Чтобы контролировать степень загрязнения мембран, процесс фильтрования осуществлялся в циклическом режиме (фильтрация-обратная промывка-фильтрация) с различной частотой. Установка работала непрерывно более года. Результаты работы установки приведены на рис. 5 и 6. Эффективность удаления органических загрязнений по ХПК независимо от температуры и периода аэрации составляла 85-90 %, по азоту аммонийному - 98,5-99,8 %; что не достижимо на традиционных сооружениях биологической очистки при аналогичных условиях эксплуатации аэротенков. После мембранного биореактора ХПК очищенной воды за весь период наблюдений не превышала 35 мг/л и при этом БПКполн. не превышала 1,5 мг/л. Практически полностью отсутствовали в очищенной воде взвешенные вещества.

За весь период работы установки можно выделить 7 технологических режимов, отличающихся продолжительностью аэрации в мембранном биореакторе. На рис. 5 показана взаимосвязь эффективности очистки по ХПК и азоту аммонийному с периодом аэрации (гидравлическое время пребывания сточной воды в реакторе) и температурой. Как видно из графика на рис.5, даже при времени обработки воды в аэротенке 2,4-3,2 ч процесс нитрификации протекал достаточно интенсивно, эффективность удаления аммонийного азота достигала 98-99 %, концентрация аммонийного азота в очищенной воде не превышала 0,4 мг/л. Снижение температуры в реакторе с 19 оС до 8-10 оС практически не отразилось на эффективности нитрификации.




Рис.5: Усреднённые показатели работы установки




Рис.6: Влияние периода аэрации и дозы ила на окислительную мощность по ХПК и азоту.


Внутри реактора отмечалось увеличение ХПК, БПК и концентрации аммонийного азота внутри биореактора по сравнению с пермеатом после мембран. Причем ΔХПК (как разница в значениях ХПК внутри биореактора и на выходе из системы) значительно возрастала при снижении времени аэрации, что вызвано, по-видимому, неполнотой распада высокомолекулярных органических загрязнений. Незначительное увеличение градиента концентраций азота при времени аэрации 2,4-3,2 часа не сказывается негативно на качестве очищенной воды. Поскольку аммонийный азот, присутствующий в воде в ионной форме, не может быть задержан мембраной, перепад его концентрации можно объяснить процессом нитрификации, протекающим на самой мембране (снаружи или внутри). Это подтверждается также увеличением концентрации нитратов в пермеате по сравнению с их содержанием внутри реактора. За счет накопления активного ила в системе (до 12-16 г/л) окислительная мощность по удалению органических загрязнений и соединений азота увеличивалась в 2-3 раза (рис.6). Окислительная мощность мембранного биореактора зависит от периода аэрации и дозы активного ила аналогично процессам, протекающим в аэротенках. С увеличением дозы активного ила окислительная мощность возрастает, а с увеличением периода аэрации снижается. Однако, по нашему мнению, поддерживать концентрацию ила в биореакторе свыше 12 г/л технологически нецелесообразно из-за процессов самоокисления ила, накопления продуктов метаболизма и заметного ухудшения условий массопереноса кислорода.

Выводы

Проведенные исследования подтвердили высокую надежность и стабильность биомембранных технологий для биологической очистки сточных вод. Показана высокая эффективность очистки от органических загрязнений по ХПК и БПК, от соединений азота, взвешенных веществ независимо от температуры и продолжительности аэрации в условиях существенного колебания состава исходного неосветленного стока. Экспериментально определены и технологически аргументированы наилучшие доза ила в биореакторе с мембранами (не более 10-12 г/л) и время обработки городских сточных вод (не менее 4-5 час.) с достижением качества очищенного стока, соответствующего нормам сброса в водоем рыбохозяйственного назначения по ХПК, БПК, соединениям азота, взвешенным веществам. Установлено, что в процессе работы МБР возникает градиент концентраций ХПК и азота внутри и снаружи реактора. Показано, что процессы нитрификации протекают как в самом реакторе, так и на поверхности мембран. Применение биосорбционно-мембранной технологии на стадии доочистки биологически очищенных сточных вод позволяет получить очищенную воду, удовлетворяющую современным нормативам по взвешенным вещества и БПК (до 1 мг/л). Использование порошкообразных активированных углей в биореакторах увеличивает глубину очистки от трудноокисляемых органических загрязнений, в том числе и ХПК. Мембранная технология совместно с адсорбционной доочисткой на порошкообразном угле может рассматриваться как альтернативная биосорбционному методу. Биологические процессы на порошкообразном угле протекают намного интенсивнее, чем на гранулированном угле, по-видимому, за счет большей удельной поверхности порошкообразного носителя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Швецов В. Н., Морозова К. М., Киристаев А. В. (2005). Преимущества биомембранных технологий для биологической очистки стоков. Экология производства, №11, 76-80.

2. Швецов В. Н., Морозова К. М., Пушников М. Ю., Киристаев А. В., Семенов М. Ю. (2005). Перспективные технологии биологической очистки сточных и природных вод Водоснабжение и санитарная техника, №12 (Часть 2), 17-25.

ohrana-truda-plan-uchebnogo-processa-v-institute-povisheniya-kvalifikacii-i-perepodgotovki-pgups-na-2011-god-g-sankt-peterburg.html
ohrana-truda-programma-professionalnoj-perepodgotovki-rukovoditelej-i-specialistov-s-prisvoeniem-dopolnitelnoj.html
ohrana-truda-ukraina-chast-2.html
ohrana-truda-v-obrazovatelnih-uchrezhdeniyahalgoritm-raboti-rukovoditelej-i-specialistov-ou-po-ot.html
ohrana-truda-v-obrazovatelnih-uchrezhdeniyahzakonodatelnie-dokumentidokumenti-minprosa-sssr.html
ohrana-truda-zhenshin-nesovershennoletnih-i-invalidov.html
  • pisat.bystrickaya.ru/transportnij-kompleks-vneshnij-transport-generalnij-plan-semikarakorskogo-gorodskogo-poseleniya-semikarakorskogo-rajona.html
  • uchenik.bystrickaya.ru/kniga-1-toma-1-i-2-stranica-61.html
  • report.bystrickaya.ru/kniga-dlya-geroev-stranica-47.html
  • uchebnik.bystrickaya.ru/uchebno-metodicheskij-kompleks-disciplini-logopedicheskie-tehnologii-tehnologiya-formirovaniya-intonacionnoj-storoni-rechi-specialnost-050715-logopediya.html
  • credit.bystrickaya.ru/osnovnaya-literatura-logichnost-rechi-sootvetstvie-techeniya-mislej-otrazhennih-v-rechi-zakonam-logiki-soglasovannost.html
  • otsenki.bystrickaya.ru/slovo-pejzazh-prishlo-k-nam-iz-francuzskogo-yazika-i-oznachaet-priroda-vkachestve-samostoyatelnogo-zhanra-v-evrope-pejzazh-oformilsya-lish-k-xvi-veku-odnako-v-ki.html
  • spur.bystrickaya.ru/koncepciya-regionalnogo-brendinga-nizhegorodskoj-oblasti-2009-stranica-3.html
  • uchebnik.bystrickaya.ru/velatropa-v-fokuse-nablyudeniya-otchet-merlina-derevya-prociona-souchastniki-vremeni-17-dvojnie-zvezdi-i-tragediya.html
  • uchit.bystrickaya.ru/tkachenko-larisi-tadeushevni-2014.html
  • desk.bystrickaya.ru/plan-osnovnie-ponyatiya-differencialnogo-ischisleniya-funkcij-odnoj-peremennoj-opredelenie-proizvodnoj-i-eyo-geometricheskij-smisl.html
  • kolledzh.bystrickaya.ru/511uchastok-tehnologicheskogo-processa-c-ispolzovaniem-gruntovogo-nasosa.html
  • nauka.bystrickaya.ru/uchebnoe-posobie-moskva-izdatelstvo-rudn-2004-stranica-6.html
  • shpargalka.bystrickaya.ru/voprosi-videleniya-i-sohraneniya-lvpc-na-territorii-arendi-predpriyatij-vhodyashih-v-gruppu-kompanij-rfp-grupp.html
  • education.bystrickaya.ru/32uprugaya-i-plasticheskaya-deformaciya-kafedra-fiziki-metallov-i-materialovedeniya.html
  • knowledge.bystrickaya.ru/obrazovatelnij-standart-po-napravleniyu-bakalavriata-550800-240100-himicheskaya-tehnologiya-i-biohimiya-rabochaya-programma-po-discipline-obyazatelnoj-po-standartu.html
  • kanikulyi.bystrickaya.ru/vtoraya-zhizn-boevoj-raketi-uroki-i-nasledie.html
  • pisat.bystrickaya.ru/tema-2-napisanie-nauchnoj-raboti-uchebno-metodicheskoe-posobie-dlya-studentov-fakulteta-upravleniya-zaochnoe-otdelenie.html
  • knigi.bystrickaya.ru/sekciya-matematiki-tezisi-dokladov.html
  • uchebnik.bystrickaya.ru/uchetnaya-karta-semi-uchebno-metodicheskoe-posobie-minsk-ripo-2003-udk-37-013-78-072-bbk-74-6.html
  • shkola.bystrickaya.ru/ponyatie-i-priznaki-yuridicheskogo-lica.html
  • uchitel.bystrickaya.ru/rasskaz-prizhimaya-k-uhu-telefon-ya-govoryu.html
  • uchenik.bystrickaya.ru/evklid-i-ego-nachala.html
  • textbook.bystrickaya.ru/iz-opita-raboti-rossijskih-bibliotek-dajdzhest.html
  • predmet.bystrickaya.ru/regionalnaya-nauchno-prakticheskaya-konferenciya-nauchnaya-podderzhka-innovacionnih-processov-i-professionalnogo-partnerstva-v-obrazovanii.html
  • lesson.bystrickaya.ru/rabochaya-programma-trudoemkost-disciplini-6-zachetnih-edinic-napravlenie-080800-prikladnaya-informatika-v-ekonomike-stranica-4.html
  • testyi.bystrickaya.ru/analiz-vospitatelnoj-deyatelnosti-mou-atamanovskaya-sosh-za-2009-2010-uchebnij-god.html
  • report.bystrickaya.ru/karr-allen-legkij-sposob-sbrosit-ves-stranica-2.html
  • learn.bystrickaya.ru/glava-12-dmitrij-gluhovskij-metro-2033.html
  • education.bystrickaya.ru/2konkursnaya-dokumentaciya-21soderzhanie-konkursnoj-dokumentacii-konkursnaya-dokumentaciya-po-provedeniyu-otkritogo-konkursa.html
  • teacher.bystrickaya.ru/godovoj-otchet-po-osnovnoj-deyatelnosti-administracii-ust-ordinskogo-buryatskogo-okruga-stranica-3.html
  • write.bystrickaya.ru/glava-2-ekspertiza-normativnih-pravovih-aktov-na-korrupciogennost-ekspertnaya-komissiya-obshestvennogo-soveta-pri.html
  • institute.bystrickaya.ru/glava-ii-kamernij-vokalnij-repertuar-i-ego-sozdateli-kamernaya-vokalnaya-muzika-v-rossii-pervoj-polovini-xix.html
  • institut.bystrickaya.ru/tablica-6-rekomendovano-v-sovet-fakulteta-zav-kafedroj-infekcionnih-boleznej-belmapo-professor-a-a-klyuchareva-g-minsk-2001.html
  • holiday.bystrickaya.ru/moskovskij-gosudarstvennij-institut-mezhdunarodnih-otnoshenij-u-mid-rf.html
  • holiday.bystrickaya.ru/metodicheskie-ukazaniya-k-kursovomu-proektirovaniyu-dlya-studentov-specialnosti-080801-prikladnaya-informatika-v-ekonomike.html
  • © bystrickaya.ru
    Мобильный рефератник - для мобильных людей.