Кинетические зависимости и технологическая эффективность процесса электробаромембранного удаления ионов тяжелых металлов (Fe, Cd, Pb) из сточных вод очистных предприятий Акулинчев Андрей Михайлович

Содержание к диссертации

Введение

Глава I. Анализ литературных данных по исследованию процесса мембранной очистки сточных вод 13

1.1 Классификация сточных вод 13

1.2 Стадии очистки сточных вод промышленных предприятий 15

1.3 Очистка сточных вод гальванического производства 19

1.4 Обратноосмотические мембраны и мембранные элементы, их характеристики. Мембранные установки 23

1.5. Явления переноса при обратном осмосе 32

1.5.1. Явления переноса в мембранах 32

1.5.2. Явление переноса в растворах 38

1.5.3 Инженерные методики расчета обратноосмотических процессов и аппаратов. Математические модели 40

1.6 Формулировка целей и задач исследования 46

Глава II. Техника и методика проведения экспериментальных исследований 47

2.1. Объекты исследований 47

2.1.1 Растворы 48

2.1.2. Основные элементы разделяющей системы 49

2.2. Экспериментальные установки и методика проведения исследования. 50

2.2.1 Лабораторная электробаромембранная установка и методика проведения экспериментов 50

2.2.2 Установка и методика определения диффузионной проницаемости мембран 55

2.2.3 Методика определения экспериментов по исследованию сорбционной способности обратноосмотических мембран 57

2.2.4 Имитационная модель электробаромембранной установки и методика проведения виртуального эксперимента. 59

2.3 Выводы по второй главе 60

Глава III. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 61

3.1 Исследования вольтамперных характеристик при электробаромембранном разделении сточных вод гальванопроизводств 61

3.2 Исследования влияния плотности тока на величину рН раствора при электрохимической очистке сточных вод гальванопроизводств 63

3.3 Коэффициент задержания мембран 65

3.4 Удельная производительность мембран 72

3.5 Диффузионная проницаемость мембран 77

3.6. Сорбция мембран 80

3.7 Результаты имитационно-виртуального моделирования процесса электробаромембранной очистки сточных вод промышленных стоков 83

3.8 Выводы по результатам экспериментальных исследований 86

Глава VI. Математическая модель массопереноса и инженерная методика расчета электробаромембранных процессов и аппаратов 88

4.1 Математическая модель массопереноса в электробаромембранных аппаратах 88

4.2 Проверка адекватности математической модели в электробаромембранных аппаратах. 100

4.3 Инженерная методика расчета электробаромембранных процессов и аппаратов 103

4.4 Выводы по четвертой главе 108

Глава V. Рекомендации по практическому применению электробаромембранного метода очистки сточных вод содержащих ионы Fe, Cd, Pb . 109

5.1 Разработка технологической схемы очистки промышленных сточных вод ОАО ТКС «Тамбовводоканал» 109

5.2 Разработка технологической схемы комплексных очистных сооружений КОС-50 ООО Резервуарный завод "ВЕССЕЛ" 115

5.3 Выводы по пятой главе 118

Заключение 119

Список используемых источников 121

Приложение А 135

Приложение Б 138

Приложение В 147

Приложение Г 158

Приложение Д 158

• Обратноосмотические мембраны и мембранные элементы, их характеристики. Мембранные установки
• Коэффициент задержания мембран
• Инженерная методика расчета электробаромембранных процессов и аппаратов
• Разработка технологической схемы очистки промышленных сточных вод ОАО ТКС «Тамбовводоканал»

Введение к работе

Актуальность исследования. Загрязнение окружающей среды, в том числе источников водоснабжения, является реальным фактором, который оказывает отрицательное влияние на здоровье людей. По данным Всемирной организации здравоохранения от использования некачественной питьевой воды каждый ежегодно в мире страдает каждый десятый человек. До 50 % речной воды каждый год подвергается техногенному воздействию, в том числе и в результате сброса 42510⁹ м³ сточных вод. Нарушения требований СанПиН 2.1.4.10749–01, в которых установлены физико-химические и микробиологические показатели питьевой воды, отмечены во всех субъектах РФ. Более 90 % сточных вод, поступающих через коммунальные сети в поверхностные водные объекты, сбрасываются неочищенными. В связи с этим все более ожесточающиеся требования к сбросу промышленных сточных вод требуют поиска и разработки более эффективных решений в области очистки технологических и сточных вод.

Универсальных методов очистки сточных вод для предприятий не существует. Многообразие технологических решений производства различных продуктов порождает различные по своему составу сточные воды. Исходя из этого подбирается та или иная технологическая схема очистки и типы оборудования.

Наибольшие успехи в отношении эффективности и технологичности выделения цветных металлов из сточных вод достигнуты при использовании методов мембранного разделения, в частности обратного осмоса, ультра- и электроосмо-фильтрации.

Диссертационная работа выполнена в рамках федерально-целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по ГК №№ 16.740.11.0525, 14.740.11.1028, 16.740.11.0659; ГЗ 2014/219 проект № 1222 на 2012 – 2014 гг. и в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности на 2017/2019 гг., проект № 10.4798. 2017/БЧ.

Цель работы: изучение кинетических зависимостей и развитие существующих технологических аспектов процесса электробаромембранного удаления ионов тяжелых металлов Fe(II), Cd(II), Pb(II) из сточных вод в процессе их очистки.

Задачи работы:

1. Провести экспериментальные исследования по коэффициенту задержания, удельной производительности, диффузионной проницаемости в зависимости от концентрации, величины трансмембранного давления, природы растворенных веществ и типа мембраны для сточных вод с содержанием ионов тяжелых металлов Fe(II), Cd(II), Pb(II).

2. Провести исследования и разработать имитационно-виртуальную модель процесса электробаромембранного разделения сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, способствующую формированию у операторов практических навыков и умений принятия и выполнения решений по управлению технологическими процессами стадий очистки сточных вод.

3. Усовершенствовать математическую модель массопереноса при электро-баромембранном разделении сточных вод, содержащих указанные выше ионы тяжелых металлов. Оценить адекватность усовершенствованной математической модели.

4. Уточнить инженерную методику расчета методов электробаромембранной очистки сточных вод применительно к удалению ионов тяжелых металлов Fe(II), Cd(II), Pb(II), позволяющую рассчитывать рабочую площадь, число элементов и энергозатраты процесса электробаромембранной очистки.

5. Разработать и запатентовать программу для расчета на ЭВМ локальных кинетических коэффициентов в плоскокамерном электробаромембранном аппарате при удалении указанных ионов тяжелых металлов из сточных вод.

6. На основе проведенных экспериментально-теоретических исследований разработать технологические схемы очистки промышленных сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов Fe(II), Cd(II), Pb(II) с применением электробаро-мембранной технологии.

Научная новизна:

1. Получены и интерпретированы экспериментальные данные по электроба-ромембранному удалению ионов тяжелых металлов Fe(II), Cd(II), Pb(II) из сточных вод, включая оценку влияния трансмембранного давления, исходной концентрации и плотности электрического тока на коэффициент задержания, удельный поток растворителя, диффузионную проницаемость и сорбционную способность мембран.

2. С использованием модельных сред и реальных сточных вод получены численные значения эмпирических коэффициентов для расчета коэффициентов задержания, удельной производительности, диффузионной проницаемости и сорбционной способности мембран при удалении ионов тяжелых металлов Fe(II), Cd(II), Pb(II).

3. Разработана и исследована имитационно-виртуальная модель процесса электробаромембранного удаления ионов тяжелых металлов из сточных вод для аппаратов плоскокамерного типа.

4. Усовершенствована математическая модель процесса электробаромем-бранного разделения сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, с учетом влияния постоянного электрического тока на коэффициент задержания и удельный поток растворителя.

Практическая значимость. Разработана методика виртуального исследования процесса электробаромембранного разделения сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, способствующая формированию у операторов практических навыков и умений принятия и выполнения решений по управлению технологическими процессами стадий очистки сточных вод.

Уточнена инженерная методика расчета рабочей площади и количества элементов для процесса электробаромембранной очистки сточных вод.

Значимость выполненных исследований для практики подтверждена разработанной и запатентованной программой для расчета на ЭВМ локальных кинетических коэффициентов в плоскокамерном мембранном аппарате (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615861).

Разработаны технологические схемы очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов. Практическая реализация исследований подтверждена актами о практическом использовании их результатов на ОАО «ТКС» «Там-бовводоканал» и ООО «Резервуарный завод «ВЕССЕЛ», г. Тамбов.

Научные положения, выносимые на защиту.

5. Результаты экспериментальных и теоретических исследований по элек-тробаромембранному удалению ионов тяжелых металлов Fe(II), Cd(II), Pb(II) из сточных вод. Значения эмпирических коэффициентов, необходимых для расчета кинетических коэффициентов электробаромембранной очистки сточных вод.

6. Разработанная модель и результаты имитационно-виртуального исследования процесса электробаромембранного удаления ионов тяжелых металлов из сточных вод.

3. Усовершенствованная и проверенная на адекватность математическая модель процесса электробаромембранного разделения сточных вод, содержащих указанные ионы тяжелых металлов.

4. Инженерная методика расчета рабочей площади и количества элементов для конкретных процессов электробаромембранной очистки сточных вод.

5. Программа расчета локальных кинетических коэффициентов для плоскокамерных электробаромембранных аппаратов.

6. Разработанные технологические схемы процесса электробаромембранного разделения на очистных сооружениях сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов.

Личный вклад автора заключается в формулировании проблемы, цели и задач исследования, выборе методик исследования для решения поставленных задач, планировании и проведении экспериментальных исследований, интерпретации их результатов и разработке математического описания процесса.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены: на Международной конференции «Решение региональных экологических проблем» (Тамбов, 2011); Международной научно-практической конференции «Наука и образование для устойчивого развития экономики, природы и общества» (Тамбов, 2013); 7 Всероссийской школе с международным участием ЭХОС-2012 «Актуальные проблемы электрохимии органических соединений» (Тамбов, 2012); Международной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы электрохимической технологии» (Саратов, 2011); Международной научно-практической конференции «Дни науки–2012» (Прага, Чехия, 2012); Международной конференции «Ресурсосбережение в химической технологии» (Санкт-Петербург, 2012); Всеукраинской научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Мембранные процессы и оборудование в инновационных технологиях пищевых производств» (Киев, Украина, 2012); Всероссийской научно-практической конференции «Техногенная и природная безопасность» (Саратов, 2013); ХIV Международной конференции «Физико-химические основы ионообменных и хроматографических процессов» (Воронеж, 2014); Международной конференции «Теоретические и практические аспекты сорбционных и мембранных процессов» (Кемерово, 2014); II Международной научно-практической конференции «Виртуальное моделирование, прототипирование и промышленный дизайн» (Тамбов, 2015); VIII Международной научно-инновационной молодежной конференции «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент» (Тамбов, 2016) и др.

Публикации. Материалы диссертации изложены в 25 публикациях, из которых 12 изданы в журналах, рекомендованных ВАК, из них 1 статья в издании, индексируемом базой данных Scopus, получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и обобщающих выводов, списка используемых источников и приложения. Диссертация содержит 160 страниц текста, в том числе 39 рисунков, 22 таблицы, список используемых источников включает 135 наименований отечественных и зарубежных авторов.

Обратноосмотические мембраны и мембранные элементы, их характеристики. Мембранные установки

Для очистки сточных вод методом обратноосмотического разделения производится большое количество типов мембран и мембранных элементов. Мембраны разделяют по геометрической форме на следующие виды:

- плоские;

- цилиндрические;

- половолоконные [37-41]. Обратноосмотические мембраны могут быть как с изотропной, так и анизотропной структурой [39,40].

Полиамидные и ацетатные мембраны с анизотропной структуры наиболее востребованы в настоящее время. В виде плоских пленок выполняют, как правило, ацетатцеллюлозные мембраны.

Полиамидные мембраны чаще выполнены в форме полых волокон. Такие мембраны достаточно прочные и поддерживают работоспособность при высоких давлениях. Данные мембраны химически стабильны к растворам с высоким значением рН, в отличие от ацетатцелюлозных. Так же они являются более компактными, по сравнению с ацетатцеллюлозной мембраной. Однако, при имеющемся уровне технических разработок показатели очистки ацетатцеллюлозных мембран превосходят характеристики полиамидных мембран [39,40].

Особенно широкое распространение в иностранной промышленности приобрели обратноосмотические устанвоки: Toray, DowChemical "Filmtec", Norit, GE Osmonics, Hydranautics, Inge и пр. (таблица 1.3) [42]. В России для разработок обратноосмотических установок (Технопарк РХТУ им Д.И Менделеева, ФГУП "Исследовательский центр имени М. В. Келдыша") наибольшее использование нашли рулонные и половолоконные элементы, а также российские обратноосмотические полимерные мембраны, (ацетатцеллюлозные (АЦ) и полиамидные (ПА)) изготовленные НТЦ "Владипор". В таблице 1.4 показаны основные, производимые в России марки мембран и мембранных элементов, представлены их основные свойства.

Существуют также мембраны, изготавливаемые на других производных целюлозы с той же анизотропной структурой [43]. Сюда относят этилцеллюлозу, ацетат бутиратцеллюлозу, ацетат метакрилатцеллюлозу, иные высокомолекулярные ацетаты целлюлозы и асимметричные мембраны.

Ассиметричные мембраны формируются из двух слоёв:

- тонкого активного (0,25-0,50 мкм);

- крупнопористого опорного слоя. Селективность мембраны определяется характеристиками активного слоя, а опорный слой предназначен для переноса давления разделяемого стока на дренажную систему аппарата и отвода в нее фильтрата [40, 44].

Разработаны так же мембраны из твердых пористых материалов, например, на основе керамики.

Рабочим узлом установки обратного осмоса является мембранный разделительный элемент. Конструкция разделительного элемента состоит из мембраны, подложки и опоры.

Наиболее часто в промышленности применяют 4 основных вида разделительных мембранных элементов:

1) плоскокамерные;

2) трубчатые;

3) рулонные;

4) половолоконные [37, 45, 46].

Мембранный элемент, служащий основой аппарата с плоскими мембранными разделительными элементами, состоит из мембран, которые уложены с двух сторон дренажной системы. Мембранный модуль изготавливают из пористого материала. Межмембранное пространство данного модуля (размер канала, по которому проходит исходный стоки) составляет 0,5-5мм. Производство плоскокамерных аппаратов с мембранными элементами может осуществляться в различных модификациях: с центральным и периферийным выводами пермеата; корпусные и безкорпусные аппараты; с общим отводом пермеата или отводом из каждого разделяющего элемента [47].

Для плоских разделяющих элементов положительной особенностью является простота конструктивного решения. Также данные мембранные элементы обладают несколькими недостатками: низкая плотность монтажа мембраны в единице объёма - 60-300 м2/м3; необходимость ручной сборки аппарата; сложность в поддержании герметизации отдельных технологических узлов; значительная металлоемкость.

Конструкция аппаратов с мембранными элементами трубчатого типа обусловливается устройством комплектующих разделяющих элементов [48]. Мембрана и дренажный каркас формируют конструкцию трубчатого мембранного элемента. Каркас представляет собой трубку, которая является опорой для мембранного элемента и обеспечивает отвод фильтрата, и микропористую подложку, исключающую вмятие мембраны в дренажный канал трубки под влиянием давления разделяемого раствора. Отличают мембранные элементы трубчатого типа с мембраной внутри или снаружи трубки и с комбинированным ее расположением. Преимущественно используют разделительные элементы с мембраной внутри трубки.

Трубчатые разделительные элементы обладают рядом преимуществ: низкая материалоемкость (отсутствие корпуса); небольшое гидравлическое сопротивление очищенному потоку раствора, связанное с длиной дренажных каналов; незначительные требования к предварительной очистке разделяемых растворов; возможность избежания осаждения в процессе разделения и простота очистки мембранной поверхности от образовавшегося на ней осадка. Минусом такой системы является небольшая плотность монтажа мембран в аппаратах (60 - 200 м2/м3) и серьезные требования к допускам, заданным для производства внутреннего диаметра каркаса.

Мембранные аппараты рулонного типа на данный момент считаются наиболее перспективными. Рулонный разделительный элемент представляет собой трубку, с имеющимися на ней прорезями для пропуска фильтрата; пакет из двух мембран, который герметично присоединен к трубке; дренажный лист, расположенный между мембранами и сетка-сепаратор, образующая межмембранные пространство [49, 50]. В процессе сборки пакета кромки дренажных листов покрывают специальным клеем. Это выполняется для создания герметичности напорной полости и полости сбора пермеата. Сетка-сепаратор в межмембранном канале определяет не только его высоту, а также осуществляет роль турбулизатора потока движущегося раствора.

Технологические аппараты с мембранными элементами рулонного типа обладают следующими преимуществами: высокая удельная плотность укладки мембран (300-800 м2/м3); технологическая практичность монтажа и демонтажа; конструктивная простота и небольшая стоимость корпуса аппарата, находящегося под давлением; относительно небольшие потери давления в процессе работы аппарата.

Недостатки рулонных элементов обусловлены высокими требованиями к подготовке разделяемых растворов.

В последнее время для мембранной очистки растворов методом обратного осмоса все чаще применяют аппараты с полыми волокнами Мембранные элементы в виде полых волокон в таких аппаратах как правило имеют толщину стенки - 10…50 мкм и наружный диаметр 45-200 мкм. По конструктивным особенностям такие устройства можно поделить на следующие виды: аппараты, расположение полых волокон в которых параллельное; аппараты мембранными элементами цилиндрической формы; аппараты с расположением полых волокон в форме U-образа; аппараты с мембранными элементами сферической формы [49].

Из-за малого диаметра для полых волокон характерна весьма большая удельная поверхность ( 20-30 тыс. м2/м3), значительная удельная производительность, исключена необходимость в применении отдельных дренажных систем, легкость в эксплуатации, приемлемые затраты энергии на турбулизацию раствора. Недостатки выражены необходимостью предварительной обработки разделяемых растворов, сложностью производства мембран в виде полых волокон.

Коэффициент задержания мембран

Коэффициент задержания является основной характеристикой эффективности работоспособности мембран и зависит от множества факторов. Механизм задержания мембран сильно зависит от таких факторов, как трансмембранное давление, плотность тока, природа растворенного вещества, концентрация, влияющих на характеристики процесса разделения [103, 104].

В исследованиях определяли зависимости коэффициента задержания ацетатцеллюлозных мембран МГА-95, МГА-100 при электробаромембранной очистке промышленных сточных вод от ионов Fe(II), Cd(II), Pb(II) от концентрации, скорости раствора в межмембранном канале, компонентного состава, трансмембранного давления, температуры раствора [87, 91]. Исследования проводили на лабораторной электробаромембранной установке по методике, представленной в главе 2.

Для определения влияния трансмембранного давления на коэффициент задержания исследования проводились при варьировании давления от 1,0 до 4,0 МПа. Полученные зависимости коэффициента задержания от трансмембранного давления представлены на рисунках 3.5, 3.6, от концентрации - на рисунках 3.7, 3.8 и в приложении в таблице Б.3, Б.4. Зависимости коэффициента задержания от плотности тока при P= 4 МПа исследуемых растворов представлены на рисунках 3.9 - 3.14 и в приложении в таблице Б.5, Б.6.

При анализе зависимости коэффициента задержания от градиента давления, представленных на рисунках 3.5, 3.6, можно отметить увеличение коэффициента задержания с ростом давления. С повышением давления увеличивается усилие на активный слой мембраны, которая в результате деформации уплотняется [16, 105, 106]. Анализ зависимостей, представленных на рисунках 3.7, 3.8, показал, что с ростом концентрации растворов для всех исследуемых веществ коэффициенты задержания незначительно уменьшаются, что характерно для баромембранного разделения весьма разбавленных растворов, к которым можно отнести исследуемые растворы [91].

Коэффициент задержания также находится в линейной зависимости от плотности тока (рисунки 3.9-3.14), однако, отмечается различное изменение коэффициентов задержания для прианодных и прианодных мембран. Это явление, видимо вызвано «блокировкой» пор прикатодных мембран за счет отвода основной группы ионов [107].

Для расчета коэффициента задержания в литературе имеется значительное количество теоретических и эмпирических формул. Однако, для конкретных объектов исследований они не всегда применимы. Поэтому в настоящей работе, на основании анализа литературных и экспериментальных данных, была поставлена задача нахождения связи коэффициента задержания от перечисленных параметров. С этой целью для расчета коэффициента задержания использована зависимость Дерягина В.В., Чураева Н.В., Мартынова Г.А., Старова В.М., предложенная в [69].

Уравнение (3.1) получено на основе теории конвективной диффузии. В расчетах допущена независимость коэффициентов D0, Dm от концентрации растворов, что допускается при разбавленных средах. Коэффициент диффузии в мембране расчитывали как Dm=D0k, где для определения коэффициента распределения k=1/ были проведены исследования сорбции обратноосмотических мембран. С использованием полученных экспериментальных данных для теоретического расчета коэффициента задержания с наложением электрического тока было получено выражение следующего вида Сравнение экспериментальных и расчетных значений коэффициента задержания показало их удовлетворительное совпадение (Приложение Б таблицы Б.5, Б.6).

Инженерная методика расчета электробаромембранных процессов и аппаратов

Представленная математическая модель применялась для разработки инженерной методики расчёта как электробаромембранных, так и обратноосмотических установок [129- 132].

При технологическом расчете определяют основные параметры процесса разделения, необходимых для проектирования электробаромембранных установок. В качестве основных элементов, которыми комплектуется мембранный аппарат, является разделительный модуль. Определяющим элементом разделительного модуля выступает мембрана.

При выборе типа мембраны учитывались следующие требования к мембране:

1. Максимальная удельная проницаемость и коэффициент задержания, обеспечивающие выполнение требований по качеству пермеата в соответствии санитарным нормам.

2. Наличие широкого рабочего диапазона температур, в пределах которого повышение температуры не увеличивает скорость гидролиза полимерных мембран, что сокращает срок их службы.

3. Возможность использования широкого рабочего диапазона давлений, так как, во-первых, мембрана при давлении подвергается уплотнению, что снижает эффект, вызывающий повышение движущей силы; во-вторых, с ростом градиента давления на поверхности мембраны может образовываться плотный осадок задерживаемых микрочастиц.

4. Высокая химическая стойкость по отношению к промышленным растворам и доступная стоимость.

Одним из важных параметров расчета процесса электробаромембранного разделения является величина предельной силы электрического тока.

Основным параметром расчета электробаромембранного аппарата является определение необходимой общей рабочей площади мембраны. Площадь мембраны определяем используя основное уравнение массопередачи :

Для расчета значений коэффициентов диффузионной проницаемости использовали аппроксимационные зависимости, полученные в результате экспериментальных исследований и представленных в главе 3.

Анализ экспериментальных и расчетных данных по предложенной модели указывает на наличие зависимости кинетических характеристик мембранного разделения от продольной скорости раствора в межмембранном канале и градиента давления в аппарате. Это обусловлено рядом причин: турбулизацией потока продольного течения в модуле; потерей скорости потока пермеата; изменением сечения канала при сжатии и набухании мембраны; наличием концентрационной поляризации и пр.

Учет скорости и режима течения в таких расчётах производят обычно посредством критерия Re. Давление проще всего учитывать введением симплекса

Результаты, полученные использованием представленной математической модели, позволяют также рассчитать значения концентрационной поляризации КП в зависимости от длины межмембранного канала для исследуемых растворов. Влияние КП на основные кинетические характеристики процесса разделения существенно и поэтому необходимо учитывать в расчетах.

Определив рабочую площадь одного разделяющего элемента и при условии, что аппарат включает в себя два элемента, можем рассчитать общее количество аппаратов в мембранной установке по следующей зависимости:

Используя условие, при котором соблюдается, примерно, одинаковая скорость разделяемого раствора для каждого аппарата каждой секции и постоянство снижения расхода по длине аппарата осуществляем секционирование аппаратов в мембранной установке [129]:

При определении фактического давления в электробаромембранном аппарате необходимо учитывать потери давления, возникающие при преодолении гидравлического сопротивления. Указанные потери складываются из сопротивлений мембранных элементов, магистральных трубопроводов, местных сопротивлений и др.

Основные потери давления приходятся на гидравлическое сопротивление разделительных элементов, которые приближенно рассчитывают по следующему выражению:

Напор насоса с учетом фактического давления в электробаромембранной установке ориентировочно определяем по следующей формуле

Экономическую эффективность электробаромембранной установки оцениваем через общий расход энергии необходимый для ведения процесса разделения по следующей зависимости:

Сравнение с другими методами разделения, например дистилляция, показывает, что затраты энергии при мембранном разделении в 10-15 раз меньше.

Предложенная на основе математической модели массопереноса инженерная методика расчета может использоваться при технологическом расчете электробаромембранных аппаратов, используемых в процессе разделения сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов Fe(II), Cd(II), Pb(II).

Разработка технологической схемы очистки промышленных сточных вод ОАО ТКС «Тамбовводоканал»

Очистные сооружения канализации г. Тамбова расположены на левом берегу реки Цна. Объектами канализования очистных сооружений являются предприятия и жилой комплекс города. Строительство и сдача очистных сооружений в эксплуатацию осуществлялась в три очереди.

1-я очередь ОСК: проектная производительность – 17 тыс. м3/сут. Год сдачи в эксплуатацию – 1962 г.

2-я очередь ОСК: проектная производительность – 33 тыс. м3/сут. Год сдачи в эксплуатацию – 1976 г.

3-я очередь ОСК: проектная производительность – 80 тыс. м3/сут. Год сдачи в эксплуатацию – 1984 г.

Общая проектная мощность ОСК составляет 130 тыс. м3/сут.

Фактическая производительность ОСК – 85 000 – 125 000 м3 сточных вод в сутки. Площадь ОСК г. Тамбова составляет 308 000 м2 (30,8 га).

Режим работы ОСК:

– количество рабочих дней в году – 365;

– число смен – 2;

– продолжительность смены 12 часов.

Теплоснабжение ОСК производится от собственной котельной, работающей на газе. На территории ОСК также расположена лаборатория, мастерская, гараж. Электроснабжение площадки ОСК производится напряжением 6000 В. Водоснабжение площадки ОСК производится от городской сети. Канализация от зданий ОСК – в приемный резервуар дренажной насосной станции.

Очистные сооружения канализации г. Тамбова представлены тремя очередями строительства.

Состав сооружений по очередям:

1-я очередь. В состав сооружений 1-й очереди входят: насосная станция ЦНС- 1 с решетками, сливная станция, сооружения механической очистки (песколовки, выпуск тр.ж/б 1000 мм, первичные отстойники), сооружения биологической очистки (регенераторы, аэротенки, вторичные отстойники), и сооружения обеззараживания биологически очищенных сточных вод (контактные отстойники).

2-я очередь. В состав сооружений 2-й очереди входят: насосная станция ЦНС-2 (общая для 2-й и 3-й очереди) с решетками, сооружения механической очистки (песколовки, первичные отстойники, насосная станция сырого осадка), сооружения биологической очистки (аэротенки, вторичные отстойники), сооружения обеззараживания (контактные отстойники).

3-я очередь. В состав сооружений 3-й очереди входят: объекты механической очистки (песколовки, предварительные отстойники, насосная станция сырого осадка), сооружения биологической очистки (аэротенки, вторичные отстойники), сооружения обеззараживания (контактный отстойник).

Общие сооружения. Общими по назначению для всех трех очередей являются следующие сооружения: хлораторная, воздуходувные станции №1 и №2, дренажная насосная станция, сооружения обработки сырого осадка и избыточного активного ила (насосная станция промывки и уплотнения осадка, камеры промывки осадка, илоуплотнители, камера термообработки, цех механического обезвоживания осадка – старый и новый, пруды-накопители осадка, площадка компостирования).

Действующая схема движения сточных вод на ОАО ТКС «Тамбовводоканал» (2 очередь).

Сточные воды поступают в приёмные камеры ОСК и проходят в здание решеток на решетки с механическими граблями, где задерживаются крупные отбросы. Далее, распределительная камера делит сточные воды на несколько потоков и подаются на песколовки. В песколовках происходит задержание крупных частиц минерального происхождения крупностью 0,25 мм и более.

Сточная вода после песколовок подается на предварительные отстойники, где в процессе осаждения суспензированных взвешенных веществ минерального и органического происхождения происходит удаление от 40 до 60% взвешенных веществ.

Затем осветлённая сточная вода собирается через водосливы в сборные периферийные желоба и отводится в верхний и нижний каналы аэротенков. В аэротенках сточная жидкость посредством постоянной подачи воздуха подвергается смешиванию с активным илом, который используют для переработки растворённых в воде органических веществ и коллоидных примесей. За счёт этой переработки снижается БПК и ХПК, окисляются соли аммонийного азота до нитритов и нитратов, идёт уменьшение фосфатов и др. ингредиентов.

Далее иловую смесь через распределительные чаши подают на вторичные отстойники, предназначенные для разделения активного ила и биологически очищенной сточной воды. Затем стоки поступают в контактные резервуары для обеспечения контакта хлора со сточной водой. Очищенные стоки по выпускному каналу сбрасываются в водоем.

На рисунке 5.2 представлена технологическая схема существующего процесса очистки промышленных стоков на очистных сооружениях ОАО ТКС «Тамбовводоканал» (2 очередь).

На основе проведенных исследований по электробаромембранному разделению промышленных сточных вод, отобранных на очистных сооружениях ОАО ТКС «Тамбовводоканал», были сделаны выводы о возможности применения метода электробаромембранного разделения и модернизации существующей технологической схемы с внедрением в нее стадии мембранного разделения.

На рисунке 5.3 предложена модернизированная технологическая схема электрохимической очистки промышленных стоков для предприятия ОАО ТКС «Тамбовводоканал».