Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и анализ технологических схем очистки нефтесодержащих вод 12
1.1 Проблема загрязнения водоемов нефтесодержащими водами 12
1.2 Существующие технологии очистки нефтесодержащих вод 16
1.3 Существующие технологии очистки оборотных вод станций мойки автомобилей 19
1.4 Технологические и экономические предпосылки применения мембранных методов для очистки нефтесодержащих и автомоечных вод 23
1.5 Выводы по главе 1 26
ГЛАВА 2. Особенности применения мембранных технологий для очистки нефтесодержащих вод 28
2.1 Общие положения: проблемы, препятствующие успешному промышленному внедрению технологии обратного осмоса - загрязнение мембран и сброс концентрата 28
2.2 Существующие представления о механизме образования осадков взвешенных и коллоидных веществ на обратноосмотических и ультрафильтрационных мембранах
2.3 Влияние конструкции мембранного канала на интенсивность осадкообразования. Разработка аппарата с открытым каналом 46
2.4 Современные исследования и разработки по сокращению расходов и утилизации концентратов установок обратного осмоса 53
2.5 Выводы по главе 2 56
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования по очистке нефтесодержащих вод на установках обратного осмоса 58
3.1 Принципы создания технологии очистки нефтесодержащих вод с применением обратноосмотических мембран. Разработка экспериментальной методики. Цели и задачи экспериментов 58
3.2 Проведение исследования по очистке поверхностного стока 63
3.3 Оценка влияния общего солесодержания на параметры процесса очистки сточных вод 79
3.4 Определение скоростей осадкообразования в процессе очистки сточных вод на установках обратного осмоса 86
3.5 Выводы по главе 3 91
ГЛАВА 4. Разработка рекомендаций по подбору эксплуатационных параметров установок обратного осмоса в технологических схемах очистки нефтесодержащих вод и оборотных вод автомоек 93
4.1 Подбор оптимальных значений выхода фильтрата, рабочего давления и типов мембран при технологическом расчете двухступенчатой установки обратного осмоса 93
4.2 Выбор оптимальных значений циркуляционного расхода при работе обратноосмотической установки 97
4.3 Выбор оптимального значения периода работы между проведением гидравлических промывок
4.4 Рекомендации по определению кинетики осаждения взвешенных веществ в концентрате и промывной воде обратного осмоса 102
4.5 Рекомендации по выбору оптимального солевого состава очищенной воды и параметров работы оборотных систем автомойки 104
4.6 Выводы по главе 4 109
ГЛАВА 5. Внедрение разработанной технологии в практику очистки поверхностных стоков и очистки оборотных вод автомоек 111
5.1 Применение разработанных установок обратного осмоса для очистки ливневых сточных вод филиала ФГУП «ЦЭНКИ» - КБ «Мотор» и ГУП «Московский Метрополитен» - электродепо «Варшавское» 111
5.2 Применение разработанной технологии для очистки автомоечных сточных вод на примере АЗС №182 и АЗС №185 122
5.3 Экономические аспекты применения систем обратного осмоса 133
5.4 Выводы по главе 5 139
Заключение 140
Список литературы 143
- Существующие технологии очистки нефтесодержащих вод
- Существующие представления о механизме образования осадков взвешенных и коллоидных веществ на обратноосмотических и ультрафильтрационных мембранах
- Оценка влияния общего солесодержания на параметры процесса очистки сточных вод
- Рекомендации по определению кинетики осаждения взвешенных веществ в концентрате и промывной воде обратного осмоса
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Серьезную экологическую проблему создает загрязнение поверхностных водоемов нефтепродуктами, СПАВ и другими органическими соединениями. Источником таких загрязнений являются сточные воды различных химических и нефтехимических производств. Такие воды, помимо взвешенных веществ, нефтепродуктов, БПК и ХПК часто содержат специфические загрязнения (СПАВ, биогенные элементы, тяжелые металлы). В соответствии с Водным законодательством Российской Федерации запрещается производить сброс в водные объекты неочищенные до установленных нормативов сточные воды. Часто существующие нормативы (приказ Федерального агентства по рыболовству от 18 января 2010 г. № 20; СанПиН 2.1.5.980-00) по целому ряду показателей (особенно по содержанию в очищенной воде биогенных элементов) оказываются более "жесткими", чем требования, предъявляемые к качеству питьевой или технологической воды.
Анализ применяемых на современных промышленных предприятиях
технологий очистки сточных вод от нефтепродуктов, СПАВ и других
растворенных органических соединений показывает, что удаление этих
загрязнений производится в основном с использованием сорбционных методов
очистки. Применение таких технологий требует больших эксплуатационных
затрат на замену сорбционных загрузок в сорбционных фильтрах, что объясняется
невысокой сорбционной емкостью современных сорбционных материалов. Именно
это обстоятельство делает чрезвычайно актуальным поиск альтернативных
технологий удаления из воды нефтепродуктов, не требующих высоких эксплуатационных затрат. Эффективным решением проблемы очистки сточных вод представляется применение для этой цели метода обратного осмоса, обеспечивающего необходимую степень очистки по целому ряду показателей. Метод обратного осмоса уже находит широкое применение в схемах водоподготовки, питьевого водоснабжения и доочистки сточных вод для целей повторного использования.
Установки обратного осмоса являются эффективным средством очистки воды благодаря применению мембран, универсально задерживающих различные растворенные в воде загрязнения - ионы солей и растворенные органические соединения, в том числе и нефтепродукты. Современные разработки в области мембран позволили создать новые конструкции мембранных аппаратов, стойких к влиянию содержащихся в воде взвешенных веществ. Использование таких аппаратов в схемах очистки сточных вод позволяет избежать затрат на создание сложных схем предочистки, а также сократить до минимума объемы концентрата.
В настоящей работе предпринята попытка разработки и промышленного
внедрения установок обратного осмоса для очистки сточных вод от
нефтепродуктов, СПАВ и других растворенных в воде загрязнений.
Степень разработанности темы характеризуется подготовкой рекомендаций для технологического расчета установок обратного осмоса на основе полученных автором расчетных зависимостей, а также промышленным внедрением приведенных в диссертации разработок.
Методология и методы диссертационного исследования.
Методологической и теоретической основой исследования послужили труды отечественных и зарубежных ученых в области исследования характеристик работы аппаратов обратного осмоса для водоподготовки и очистки сточных вод, а также в области изучения осадкообразования на мембранах, изучения гидродинамических условий работы мембранных аппаратов. Проведение исследований осуществлялись с применением действующих ГОСТ и современных аналитических способов изучения селективности мембран.
В диссертационной работе были использованы физико-химические методы исследования, статистические методы обработки информации, общий сравнительный анализ и диалектический метод познания.
Целью диссертационной работы является обоснование и разработка технологических схем очистки нефтесодержащих вод с применением метода обратного осмоса, что дает возможность обеспечить эффективную очистку от растворенных органических веществ (СПАВ и нефтепродуктов) без высоких эксплуатационных затрат.
Основные задачи исследования.
-
Изучение и анализ существующих технологических схем, используемых для очистки нефтесодержащих сточных вод.
-
Изучение отечественного и зарубежного опыта применения метода обратного осмоса для очистки природных и сточных вод, изучение проблем осадкообразования на поверхности мембран , а также путей решения проблем создания схем предочистки и сокращения расходов концентрата.
-
Проведение экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях по определению эффективности очистки воды от различных загрязнений и выбору параметров работы установок (таких, как выход фильтрата, рабочее давление, тип мембран, скорость потока в мембранных каналах и др.).
-
Разработка расчетных зависимостей для определения технологических параметров работы мембранных установок очистки нефтесодержащих сточных вод с целью их повторного использования. Составление рекомендаций для их проектирования.
-
Технико-экономическое обоснование эффективности применения установок обратного осмоса для очистки нефтесодержащих сточных вод в качестве альтернативы традиционно применяемым для этой цели методам физико-химической и сорбционной очистки.
Теоретическая и практическая значимость работы:
впервые разработана, опробована и внедрена технологическая схема очистки сточных вод от нефтепродуктов, СПАВ и других растворенных органических соединений с применением обратноосмотических мембран, отличительной особенностью схемы является отсутствие сброса концентрата;
разработанная технология может быть использована при проектировании и внедрении сооружений очистки нефтесодержащих сточных вод. Применение мембранных установок позволило значительно (в 3-5 раз) сократить эксплуатационные затраты водоочистных установок по сравнению с
традиционными технологиями за счет отказа от использования сорбционных фильтров.
Достоверность полученных в работе данных и выводов подтверждается применением известных методик определения в сточных водах концентраций различных органических и неорганических загрязнений; применением современных обратноосмотических мембран, эффективность задержания которыми растворенных и нерастворенных загрязнений подтверждается многолетним опытом их применения; применением для обработки экспериментальных данных и вывода обобщающих зависимостей известных методик приближенных вычислений.
Научная новизна состоит в следующем:
впервые в практике экспериментального изучения проблемы загрязнения мембран взвешенными и коллоидными веществами разработана методика оценки скоростей осадкообразования на мембранах в зависимости от размеров и массы частиц, находящихся в исходной воде, что позволяет прогнозировать состав осадка после проведения гидравлических промывок мембран и определять параметры сооружений для его отстаивания;
впервые в разработанной технологии очистки сточных вод с использованием метода обратного осмоса предложены расчетные зависимости, позволяющие определять эффективность очистки воды от нефтепродуктов и СПАВ, исходя из состава исходной воды и величины выхода фильтрата.
На защиту выносятся:
технологическая схема очистки сточных вод от взвешенных веществ, нефтепродуктов, БПК, ХПК, СПАВ, биогенных элементов и других специфических загрязнений с применением метода обратного осмоса, включающая две ступени мембранных установок, систему гидравлических промывок мембран, а также систему отстаивания удаленного с мембран осадка;
экспериментальная методика определения значений основных параметров работы обратноосмотических установок (величины выхода фильтрата, режима проведения гидравлических промывок, определения объемов баков для отстаивания осадка после гидравлических промывок и др.);
рекомендации по выбору оптимальной величины солесодержания оборотной воды при повторном использовании очищенных сточных вод;
результаты изучения механизма образования осадка взвешенных веществ на мембранах, позволяющие прогнозировать состав осадка, удаляемого с мембран в процессе проведения гидравлических промывок и подбирать объем баков для приема и отстаивания осадков;
результаты проведения оптимизационных исследований по определению расчетных значений параметров работы установок (типов мембран для первой и второй ступени обработки сточной воды, величин выхода фильтрата на первой и второй ступени очистки, продолжительности работы установки между проведением гидравлических промывок и др.) на основе расчетов величин эксплуатационных затрат.
Личный вклад автора состоит в самостоятельном выборе и постановке задачи исследований, разработке экспериментальной программы исследований,
проведении экспериментов, обработке экспериментальных данных, проведении работ по внедрению разработок, в том числе, проведении проектных работ и согласовании проекта, участии в разработке установок, их изготовлении, поставки, монтаже, пуске и эксплуатации.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований были доложены и получили одобрение:
на XII международной межвузовской научно-практической конференции «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», 22 апреля 2009 г.;
на I и II Всероссийской конференции с элементами научной школы для
молодёжи «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в
современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений», МГСУ, 14 декабря 2010 г. и 2 ноября 2011 г.;
на VIII и IX семинарах «Яковлевские чтения», г. Москва, 14 марта 2013 г. и 18-19 марта 2014 г.;
на 5-й международной Восточно-Европейской конференции IWA, Киев, Украина, 26-28 июня 2013 г.;
на XII Всероссийской научной конференции (с международным участием) МЕМБРАНЫ-2013, г. Владимир, 1-4 октября 2013 г.;
на V научно-практической конференции «Современные методы водоподготовки и защиты оборудования от коррозии и накипеобразования». 29-30 октября, г. Москва, «Экспоцентр», 2013г.;
на международной конференции “Tianjin ida world congress 2013 on desalination and water reuse”. IDAWC REF: TIAN13-217 . 20-25 октября, Китай, 2013 г.;
- на молодежных научных форумах «Молодые исследователи - регионам»,
г. Вологда, 19 апреля 2013 г. и 22-23 апреля 2014 г.;
на международной конференции «VIII International Science Conference» г. Стокгольм, Швеция, 14-15 июля 2014 г.;
на международной конференции «9th International Conference on Establishment of Cooperation between Companies and Institutions in the Nordic Countries, the Baltic Sea Region, and the World. Linnaeus ECO-TECH», г. Кальмар, Швеция, 24-26 ноября 2014 г.
Промышленное внедрение и реализация результатов работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы использованы ООО «Научно-производственная фирма МОЛ-ОРТОС» при разработке и внедрении технологии очистки поверхностного стока на основе обратного осмоса для электродепо «Варшавское» ГУП «Московский метрополитен» и филиала ФГУП «ЦЭНКИ» - КБ «Мотор»; ООО «ССК» для очистки сточных вод станций мойки автомобилей на АЗС №182 и АЗС №185 (проект стадии «П» и «РД», реализация на производстве).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложена на 159 страницах печатного текста, включая 2 приложения, содержит 54 рисунка и 20 таблиц, библиографический список из 87 наименований.
Существующие технологии очистки нефтесодержащих вод
Наиболее интенсивным и опасным источником загрязнений поверхностных водоемов является нефтесодержащий поверхностный сток с селитебных территорий и промышленных зон [3]. В соответствии с Водным законодательством Российской Федерации запрещается производить сброс в водные объекты неочищенные до установленных нормативов дождевые, талые и поливомоечые воды [2].
Не менее 70% от общего годового объема сточных вод должно подвергаться очистке на очистных сооружениях [3]. Отводится на очистку наиболее грязная часть стока, образующаяся во время дождей, таяния снега и мойки дорог.
Загрязнения, содержащиеся в поверхностном стоке, классифицируются следующим образом: - минеральные и органические нерастворимые примеси естественного происхождения (глина, песок), а также в растворенном виде; - загрязнения техногенного происхождения в различном состоянии – нефтепродукты, мелкий мусор, соли тяжелых металлов, СПАВ и прочее; - бактериальные загрязнения, зависящие от санитарно-технического состояния территории. Основными загрязнителями, определяющими технологическую схему очистки, являются взвешенные вещества, нефтепродукты, БПКполн и ХПК.
В настоящее время расчет поступающих на очистку стоков, их ориентировочный состав и иные параметры выполняют по рекомендациям, разработанным ФГУП «НИИ ВОДГЕО» в 2006 г. [3]. Время для переработки и очистки расчетного объема дождевых стоков назначается в пределах трех суток. Согласно [3, 9], весь собираемый с территории объекта ливневой сток необходимо направлять в первичный приемный резер 13 вуар (аккумулирующую емкость), откуда он должен быть направлен на последующие ступени очистки. В случае если приемный резервуар подбирается с меньшим объемом, производительность очистных сооружений должна быть пропорционально увеличена. Сточные воды могут быть загрязнены не только нефтепродуктами и СПАВ, но также тяжелыми металлами и иными, не характерными для поверхностного стока, загрязняющими веществами [7, 8]. Различные химические загрязнения можно наблюдать в ливневых стоках с территорий промышленных предприятий второй группы, например, автозаводов, фабрик по производству мебели, кожаных изделий и т.д. Различные химические вещества, реагенты и лакокрасочные покрытия, использующиеся в производственных процессах на таких предприятиях, могут попадать в поверхностный сток. Во избежание попадания этих загрязнений в ливневую канализацию, рекомендуется создание на промышленных предприятиях локальных очистных станций с эффективной технологией удаления этих загрязнений. [10-16].
При разработке и проектировании сооружений очистки ливневых стоков промплощадок проектировщики часто пользуются значениями расчетных концентраций основных загрязнений в сточных водах, принимаемыми в соответствии с нормативным документом [3].
Степень очистки поверхностных стоков соответствует требованиям выпуска воды в водоемы рыбохозяйственного назначения [6]: по взвешенным веществам – до 3 мг/л; по нефтепродуктам - 0,05 мг/л; по БПКполн - 3,0 мг/л.
Основной проблемой при проектировании систем очистки ливневых сточных вод являются чрезвычайно высокие значения расчетных часовых расходов. Это требует высоких значений строительных объемов сооружений по отстаиванию сточных вод, а также площадей фильтрующей поверхности установок фильтрования и сорбционной очистки сточных вод. Однако, на ряде объектов повышенной "экологической опасности" (склады хранения ГСМ, места скопления автотранспорта, площадки АЗС и др. промпло-щадки) образующиеся после дождя ливневые сточные воды содержат загрязнения с более высокими значениями концентраций. В таблице 1.1 приведен сравнительный анализ данных по качеству дождевых сточных вод на основании данных института МосводоканалНИИПроект [87]. Такие высокие расчетные значения концентраций часто требуют разработки сложных и дорогостоящих технологий.
Существующие представления о механизме образования осадков взвешенных и коллоидных веществ на обратноосмотических и ультрафильтрационных мембранах
Опыт работы существующих мембранных установок по очистке природных вод, а также экспериментальное и теоретическое изучение процессов образования осадков на поверхности мембран, приводят к выводу, что процессы течения мас-сообмена, гидравлического распределения, химических взаимодействий, протекающие в аппаратах мембранного разделения – взаимосвязаны. К такому выводу приходят многие исследователи [1], однако в современных теоретических разработках до сих пор преобладает «однобокое» рассмотрение процессов загрязнения мембран различными осадками без их взаимосвязи. Между тем, рассмотрение работ в отдельности показывает важность каждого процесса в формировании общей картины загрязнения мембран и вследствие этого ухудшения работы мембранных аппаратов.
Природные поверхностные воды содержат большое количество взвешенных и коллоидных частиц, очень сильно отличающихся по размерам, а также растворённые органические вещества (в основном, гуминовые соединения), от макромолекул до низкомолекулярных соединений. Механизмы загрязнения мембран, как будет рассмотрено ниже, для различных веществ (коллоидов, растворенных органических соединений, бактериальных загрязнений) – различны. Если взвешенные и коллоидные частицы, осаждаясь на мембранах, образуют слой осадка, имеющего гидравлическое сопротивление и снижающего производительность мембраны, то растворённые органические соединения сорбируются материалом мембраны и частицами осадка. Долгое время формирование коллоидных осадков рассматривалось в зависимости от гидравлических характеристик мембранных аппаратов (производительности, скорости транзитного потока), а сорбционные и адгезионные процессы практически игнорировались. Между тем, по мере изучения загрязнения, выяснилось, что адгезионные характеристики мембран (поверхностный заряд, гидро-фильность), связанные с их полимерным составом, имеют решающее значение при формировании слоёв коллоидных, биологических и гуминовых загрязнений, что «подтолкнуло» к разработке целого направления «незагрязняющихся» (low fouling) мембран.
Конструкции мембранных аппаратов, как показано рядом исследований, также имеют решающее значение при загрязнении мембран. Так, широко применяемая конструкция аппаратов типа «рулон», используемая более чем в 90% системах водоподготовки с мембранами обратного осмоса, считается «непригодной» к обработке поверхностных вод, содержащих коллоидные и взвешенные вещества вследствие «опасности» загрязнений. Глубокая предочистка (удаление коллоидных и высокомолекулярных органических загрязнений) перед системами обратного осмоса осуществляется с применением систем ультрафильтрации, где используются мембранные аппараты трубчатой формы и в форме капилляров, редко – конструкции фильтр – пресс. Такие конструкции представляются более надёжными, чем «рулонная», с точки зрения эффективности проведения гидравлических и обратных промывок, меньшего прироста гидравлического сопротивления. При этом описанные конструкции на сегодняшний день являются очень дорогостоящими, делая предочистку значительно дороже самих систем обратного осмоса. Серьезным недостатком процесса обратного осмоса является наличие у них потоков концентратов, подлежащих сбросу в окружающую среду. Наличие концентратов часто является причиной отказа от использования мембранных установок в схемах очистки природных и сточных вод, несмотря на их эффективность. Проблема утилизации концентрата в случаях использования установок об 30
ратного осмоса на промышленных объектах решается индивидуально. Обычно расходы концентрата составляют от 50 до 20 процентов от расхода исходной воды, подлежащей очистке. Концентрат содержит все загрязнения, задержанные мембранами - органические вещества, ионы солей, коллоидные загрязнения. Поэтому уменьшение расхода концентрата ведет к повышению значений концентраций в нем всех содержащихся в воде загрязнений и опасности образования на мембранах осадков малорастворимых в воде солей и коллоидных загрязнений в коагулированном виде. Утилизация концентратов установок обратного осмоса представляет важную задачу, над решением которой постоянно работают специалисты. В частности, без решения этой проблемы невозможно рекомендовать технологию обратного осмоса для очистки поверхностного стока.
2.2. Существующие представления о механизме образования осадков взвешенных и коллоидных веществ на обратноосмотических и ультрафильтрационных мембранах.
Одним из наиболее важных вопросов эксплуатации обратноосмотических установок является прогнозирование степени снижения производительности мембран с течением времени.
В основе методик такого прогноза лежат разработанные различными авторами теории и модели механизма осадкообразования. Они определяют методы проведения экспериментальных исследований. Изучение научной литературы, посвященной осадкообразованию на обратноосмотических мембранах, показывает, что исследователи по разному трактуют механизмы этого процесса.
Теория фильтрования с образованием осадка лежит в основе моделей, предложенных в работах Джорджеса Белфорта и его коллег [28-35]. Теория фильтрования Д. Белфорта использована в ряде методик, предлагающих прогнозирование снижения производительности мембран с течением времени. В основе этой теории лежит представление, что накопление на мембране осадка подчиняется закономерностям фильтрования. По мнению Д. Белфорта, фильтрационная гипотеза подтверждается экспериментально на микрофильтрационных ячейках, как в условиях тупиковой фильтрации, так и при различных величинах скорости тангенциального потока над мембраной [32]. Условия моделировались в обратноосмотиче-ских аппаратах.
Джорджесом Белфортом и его коллегами была разработана фильтрационная теория, учитывающая траектории движущихся в потоке частиц в зависимости от их массы и скорости. Как было отмечено в статьях Д. Белфорта [33], теория фильтрования часто прогнозирует большее снижение производительности мембраны, чем это наблюдается в действительности. Поэтому механизм фильтрации, подразумевающий осаждение на мембране всех частиц, содержащихся в фильтруемой исходной воде, был усовершенствован с помощью расчета сил, действующих на частицу в потоке. Расчеты были проведены для условий ламинарного потока с параболическим распределением скоростей по высоте канала. На частицы у поверхности мембраны, кроме сил прижима ее конвективным потоком и обратной диффузией, действует и подъемная сила, являющаяся результатом разности скоростей различных слоев жидкости над мембраной.
С учетом сил подъема частиц Д. Белфордом [33] были рассчитаны траектории движения частиц в потоке и показано, что при определенных условиях (массе частицы и ее скорости) не все частицы могут осаждаться на мембране. С учетом этих поправок рассчитывается количество осадка, влияние которого на снижение производительности мембраны подчиняется закону фильтрования с образованием осадка.
Оценка влияния общего солесодержания на параметры процесса очистки сточных вод
Анализ отобранных проб воды в процессе экспериментов производился аккредитованными исследовательскими лабораториями ОАО «НИИ ВОДГЕО» (аттестат аккредитации РОСС RU.0001.22.ПВ30), ЗАО «РОСА» (аттестат аккредитации РОСС RU.0001.510078), ОАО «МосводоканалНИИпроект» (аттестат аккредитации ГСЭН.RU. ЦОА.719).
Использование описанной выше методики проведения экспериментов позволило определить: зависимости снижения производительности мембран от величины выхода фильтрата; селективности мембранных аппаратов по нефтепродуктам и СПАВ в зависимости от величины выхода фильтрата; максимально допустимое значение величины выхода фильтрата мембранной установки, при котором значения концентраций нефтепродуктов и СПАВ не превышают нормативных значений. Данная методика использовалась также для определения скоростей образования на мембранах отложений содержащихся в воде взвешенных веществ и органических загрязнений. Это достигается сравнением количества загрязнений в исходной воде и в концентрате установки в разные моменты эксперимента.
В первой серии проведенных экспериментов исследовались зависимости качества очистки сточных вод различных составов от величины выхода фильтрата установки. Исследования проводились на имитатах ливневых сточных вод, на промышленных стоках промплощадок, а также на стоках оборотных вод установок.
Вначале первая серия экспериментов была проведена с использованием искусственно приготовленного имитата сточной воды путем добавления в предварительно собранную дождевую воду синтетических моющих средств, дизельного топлива, бензина и масла. Результаты определения показателей качества исходной воды, фильтрата и концентрата представлены в табл.3.1. Таблица 3.1 Задержание загрязнений мембранами обратного осмоса в процессе эксперимента по обработке имита ционного раствора
Показатель Норматив сброса Исходная вода Усреднен-ный фильтрат Фильтрат при 2-кратном уменьшении объема Загрязнения исходной воды, скон-цетрирован-ные в 2 раза Фильтрат при 10-кратном уменьшении объема Загрязнения исходной воды, сконцетри-рованные в 10 раз Фильтрат при 90-кратном уменьшении объема Загрязнения исходной воды, скон-цетриро-ванные в 90 раз Промымы-вочная вода
Проба воды, взятая из бака фильтрата в конце эксперимента после смешения всех его объемов, полученных при различных значениях выхода фильтрата. В качестве норматива для сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения используются средние данные ПДК водоемов Московского региона, выбранные наосновании СанПиН 2.1.5.980-00 и приказ Федерального агентства по рыболовству от 18 января 2010 г. a/b, где a- показатель при отборе пробы, b- показатель в общем баке фильтрата. Ливневые (дождевые) воды имеют низкое значение общего солесодержа-ния, обычно не более 20–30 мг/л, что позволяет добиться эффективного снижения объема исходной воды без заметного снижения удельной производительности мембран.
В процессе проведения эксперимента было определено, что при уменьшении объема исходной воды в 40 раз, при отсутствии промывок, производительность установки по фильтрату упала на 30%, что является невысоким показателем. Такое изменение производительности объясняется тем, что общее солесо-держание дождевой воды составляет не более 20–30 мг/л, поэтому при концентрировании общее солесодержание концентрата не превышает 1600 мг/л и не приводит к резкому снижению производительности мембран. При концентрировании исходного раствора растет содержание загрязнений в концентрате установки и, соответственно, в фильтрате. Результаты эксперимента, описывающие зависимости роста загрязнений в фильтрате установки от исходного солесодержания и кратности концентрирования, приведены на рисунке 3.3.
Рисунок 3.3. Зависимости содержания нефтепродуктов, СПАВ и БПК в фильтрате от величины общего солесодержания и кратности снижения объема в баке исходной воды. а) – рост концентрации СПАВ в фильтрате; б) – рост концентрации нефтепродуктов в фильтрате; в) – рост величины общего солесодержания фильтрата; г) – рост величины БПК в фильтрате.
В следующем эксперименте проводилось исследование эффективности очистки реального поверхностного стока, отобранного из бака предварительно отстоенной воды на станции очистки ливневых сточных вод. После кратковременного отстаивания в аккумулирующей емкости и тонкослойном отстойнике действующих очистных сооружений концентрация взвешенных веществ в исходной воде составляла 28 мг/л, а нефтепродуктов – 0,91 мг/л.
Во время транспортировки сточных вод к месту проведения эксперимента поддерживалась первоначальная температура забора +20 оС, благодаря чему бы-лисведены к минимуму возможные структурные изменения состава воды. Рисунок 3.4. а) – общий вид опытно-экспериментальных установок кафедры Водоснабжения МГСУ; б) – установка для обработки оставшегося объема стока В процессе эксперимента из баков 1 и 3 (рисунок 3.1) одновременно отбирались пробы фильтрата и концентрата в различные моменты времени, соответ ствующие уменьшению объема исходной воды в баке 1 в 2, 5,10, 20, 40 раз и т.д. Такие значения кратности уменьшения объема исходной воды соответствуют значениям параметра "выход фильтрата" (отношению расхода полученного на установке фильтрата к расходу поступающей на установку исходной воды) соответственно 0,5; 0,2; 0,1; 0,05; 0,025.
Результаты химических анализов исходной воды, а также фильтрата и концентрата в процессе работы установки представлены в таблице 3.3. В процессе работы установки полученные значения концентраций нефтепродуктов, СПАВ, аммония, фосфатов и других загрязнений сравнивались с нормативными требованиями по содержанию этих загрязнений в воде, сбрасываемой в водоемы рыбохо-зяйственного назначения. Это позволило определить требуемую для данного случая очистки (для воды данного состава и типа применяемых мембран) величину выхода фильтрата.
Эксперимент проводился в течение 2-х дней. В первый день было достигнуто снижение объема исходной воды в 30 раз, во второй день с 13.15 дальнейшее снижение объема оставшейся воды продолжилось на другой установке (рисунок 3.4-б), предназначенной для обработки малых объемов воды (до 5 л). Установка оснащена шестеренчатым мини-насосом RAIFIL RO-200-220-EZ, 8 бар. Исходный объем воды на второй установке составлял 5 л. В таблице 3.2 представлены параметры работы установки обратного осмоса во время проведения эксперимента.
Рекомендации по определению кинетики осаждения взвешенных веществ в концентрате и промывной воде обратного осмоса
Сравнение фракционного состава частиц в исходной воде (1) и в промывной воде после 10 часов работы установки (2): зависимости доли частиц каждой фракции от общей массы частиц. В разделе 3.5 были определены зависимости скоростей осадкообразования от весовых показателей разных фракций осадка. Благодаря этому можно оценить фракционный состав частиц, накопленный за определенный промежуток времени. На рисунке 4.9 данные рисунка 4.8 представлены в виде кривой распределения частиц по массе (кривая 2) и показывают зависимость доли частиц каждой фракции в заданном весовом диапазоне. Для сравнения представлена кривая распределения частиц по массе в исходной воде (кривая 1).
На рисунке 4.10 представлены графики выпадения полидисперсных смесей в общепринятой форме [6], используемой при расчете сооружений для отстаивания воды. Необходимо обратить внимание, что в промывной воде находятся преиму Рисунок 4.10. Графики осаждения частиц, содержащихся в исходной воде (1) и в щественно частицы с тяжелей и средней массой промывной воде (2): зависимости доли осевших частиц P (%) от времени отстаивания. Для демонстрации процесса отстаивания используются зависимости доли осевших частиц от времени отстаивания. Для сравнения приведены графики осаждения частиц, построенные для исходной воды (кривая 1) и воды, прошедшей промывку, в течение 10 часов работы установки (кривая 2). Основной параметр выбора отстойников - эффективность отстаивания. Ее вычисляют по формуле: 1 , где (23) C1 - концентрация взвешенных частиц до отстаивания, C2 - концентрация взвешенных частиц после отстаивания. Как видно из построенных зависимостей и расчета эффективности отстаивания по полученным анализам проб воды, при отстаивании промывной воды за 2 часа осаждается 50 % всей взвеси, за 5 часов - 63 %, за 15 часов - 80 %.
С помощью проведенных исследований удалось установить кинетику осаждения взвесей в сточной воде в зависимости от их весовых фракций; соотношение преобладающих фракций в воде; зависимости объема взвесей по фракциям от различных степеней концентрирования [74]. В результате появилась возможность производить расчет времени отстаивания концентрата и воды после промывки.
Как видно из таблицы 3.4, общее солесодержание оборотной воды в эксперименте составило 774 мг/л. При обследовании различных автомоек солесодержание оборотной воды составляло 1200-1500 мг/л. В процессе обработки воды на обратноосмотической установки происходит постоянное увеличение концентраций солей в концентрате установки, ведущее к снижению производительности установки. Поэтому максимально достижимая величина выхода фильтрата при концентрировании соленой воды в установке зависит от солесодержания исходной воды. Эта величина определяется минимально допустимым значением производительности установки, ниже которого эксплуатировать установку становится экономически нецелесообразно.
Как показывает опыт, не следует доводить концентрацию солей в оборотной воде выше 17000 мг/л. Поэтому необходимо заполнять циркуляционный контур автомойки водой с низким солесодержанием и "подпитывать" его также обессоленной водой. Использование установки обратного осмоса для обработки оборотной воды позволяет не только эффективно очищать воду от нефтепродуктов, СПАВ и ряда органических загрязнений, но и постоянно поддерживать заданный уровень солесодержания оборотной воды.
На рисунке 4.11 представлена схема работы установки по очистке оборотной воды автомойки составленная с помощью результатов эксперимента. В схеме сбалансированы приходящие в контур оборотной воды соли (на примере NaCl), взвешенные вещества, нефтепродукты и СПАВ, а также выходящие с установки загрязнения, содержащиеся во влажном осадке. В контур поступает подпиточная вода с солесодержанием 300 мг/л, и вода после мойки автомобиля с солесодержа-нием 60мг/л, содержащая загрязнения.
Оборотная вода кратковременно отстаивается в приемном баке и поступает на очистку в установку обратного осмоса, где многократно концентрируется. Время отстаивания следует принимать, исходя из экономических показателей, с учетом влияния частоты химических промывок мембран. Частота промывок определяется на основании опыта и в процессе эксплуатации.
При составе воды, указанной в табл. 4.1, потребуется 3-4 промывки в год. Время отстаивания желательно определять в каждом отдельном случае экспериментально, выбирая оптимальные режимы работы. За минимальный времен 106 ной отрезок рекомендуется принимать 5 часов, в течение которого происходит осаждение тяжелых и средней тяжести частиц.
Очищенная вода после установки вновь поступает в контур оборотной воды, а концентрат направляется в бак-отстойник промывных вод, где смешивается с осадком из приемного бака и водой после гидравлической промывки. Отстоянная вода направляется на вход установки обратного осмоса. Таким образом, в баке-отстойнике промывных вод концентрации солей и загрязнений постоянно растут. Осадок удаляется из бака отстойника, и с осадком удаляется вода (концентрат), содержащая все поступающие в контур загрязнения, задержанные мембранной установкой. Величина солесодержания воды после установки обратного осмоса принята равной 40 мг/л.
Несоответствие между величиной общего солесодержания фильтрата установки и воды после мойки объясняется попаданием в нее растворенных солей вместе с загрязнениями. Несоответствие между значениями концентраций взвешенных веществ и нефтепродуктов в концентрате в процессе эксперимента и в концентрате на балансовой схеме объясняются тем, что в процессе работы установки загрязнения осаждаются на мембранах. На балансовой схеме показан состав смеси концентрата и промывных вод, содержащей все задержанные мембранами загрязнения. В таблице 4.1 указана расшифровка обозначений, расходы, и содержание в воде загрязнений.