Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса биологической очистки сточных вод с применением мембранных биореакторов 10
1.1. Конструктивные решения мембранных биореакторов 10
1.2. Технологические решения МБР для очистки сточных вод 20
2. Особенности процессов биологической очистки сточных вод в МБР 34
2.1.Теоретические основы биологической очистки сточных вод 34
2.2. Особенности работы мембранных блоков в системах биологической очистки 52
3. Постановка задачи и методика проведения исследований 71
3.1. Задачи проводимых исследований 71
3.2. Методика проведения исследований 71
4. Экспериментальные исследования 79
4.1. Доочистка биологически очищенной воды в мембранных биореакторах 79
4.2. Исследование очистки сточных вод в МБР 84
4.3. Исследование очистки городских сточных вод на пилотной установке МБР 89
4.4. Исследование гидравлических характеристик мембранных блоков.. 98
5. Методика расчета очистных сооружений и технико-экономическая оценка технологии очистки сточных вод в МБР 109
5.1. Расчет очистных сооружений 109
5.2. Конструктивное оформление и система автоматического контроля и управления 111
5.3. Технико-экономическая оценка применения МБР для очистки городских сточных вод 114
Основные выводы 119
Литература 121
Приложение 135
- Технологические решения МБР для очистки сточных вод
- Особенности работы мембранных блоков в системах биологической очистки
- Исследование очистки сточных вод в МБР
- Конструктивное оформление и система автоматического контроля и управления
Введение к работе
Биологический метод обладает рядом несомненных достоинств, к числу которых относится его "экологичность" — в процессе биологической очистки не образуется каких-либо чуждых природной среде соединений, а происходит деструкция органических загрязнений до близких к природным соединений углекислого газа и воды, не требуется применения химических реагентов, метод прост в эксплуатации, образующиеся в процессе биологической очистки органические осадки и избыточный активный ил являются либо источником получения энергии в виде метана при сбраживании или при сжигании, либо могут использоваться в качестве удобрений.
За более чем 100 лет метод биологической очистки непрерывно развивался, совершенствовались знания микробиологических, биохимических, кинетических и инженерных аспектов, улучшались технологические схемы сооружений биологической очистки, методы их инженерного оформления и оборудование. Разработаны эффективные методы моделирования и технологического расчета сооружений биологической очистки. Успешно решаются проблемы удаления из городских и производственных сточных вод соединений азота и фосфора биологическими методами. Сегодня биологическая очистка является наиболее распространенным методом очистки производственных и городских сточных вод от органических и некоторых минеральных загрязнений.
Однако современный уровень развития общества, промышленного производства, экологическое состояние окружающей среды обусловили повышенные требования к качеству сточных вод сбрасываемых в водные объекты. Традиционные технологии биологической очистки в аэротенках или на биофильтрах уже не обеспечивают предъявляемых к качеству очищенных сточных вод современных требований. Это вызывает необходимость строительства дорогостоящих дополнительных стадий глубокой доочистки
биологически очищенных сточных вод, стоимость которых составляет до 30 % стоимости всего комплекса очистных сооружений.
К недостаткам традиционных технологий биологической очистки относятся относительно большие объемы очистных сооружений (аэротенков и вторичных отстойников) и степень очистки, которая не всегда удовлетворяет современным требованиям к сбросу очищенных сточных вод в водные объекты. Потенциальные возможности традиционных процессов биологической очистки с активным илом оказались практически исчерпанными. Дальнейшее радикальное улучшение характеристик биотехнологий возможно путем применения принципиально новых решений.
Коренное улучшение технико-экономических характеристик биотехнологий очистки сточных вод весьма перспективно в направлении создания гибридных технологий, максимально использующих достоинства биологических методов и мембранного фильтрования. Из-за высокой стоимости обратноосмотических, ультрафильтрационных и микрофилырационных мембран, их низкой производительности и высоких затрат энергии при фильтровании, применение мембранных технологий для очистки сточных вод в прошлом носило весьма ограниченный характер.
За последние годы достижения в области нанотехнологий, позволяющих получать материалы с заданными свойствами, привели к разработке и производству новых типов микро- и ультрафильтрационных половолоконных мембран низкого сопротивления. Это создало предпосылки для создания принципиально новых гибридных технологий, сочетающих биотехнологии с мембранными технологиями, что может обеспечить качественный скачок в области водоподготовки и очистки сточных вод. За рубежом мембранные биотехнологии уже начинают использоваться на объектах средней производительности в жилищно-коммунальном хозяйстве, для глубокой очистки сточных вод предприятий текстильной, пищевой, мясоперерабатывающей молочной и других отраслей промышленности.
Технология использования полимерных мембран, выполненных в виде полых трубок, в биологической очистке воды в настоящее время является наиболее эффективной. Появилась она относительно недавно и на сегодняшний день полностью вытеснила за рубежом устаревшие плоские мембраны для решения задач по мембранному разделению. В настоящее время наблюдается тенденция расширения применения мембранных биореакторов для очистки как городских, так и промышленных сточных вод.
В России нет аналогичных установок, а исследования в этом направлении практически не проводились.
В зарубежной литературе имеются лишь фрагментарные общие сведения о технологических параметрах работы мембранных биореакторов, поскольку они представляют собой, как правило "know-how" фирм-производителей. Не смотря на большое число научных работ, вопросы изменения проницаемости мембран в системах с активным илом и их регенерации, изменения кинетических характеристик биоценоза активного ила в условиях полного его удерживания в реакторе и накопления высокомолекулярных соединений в системе, которые могут существенно повлиять на механизм процессов и характеристики системы, требуют проведения специальных исследований.
Актуальность представленной работы состоит в том, что на данный
момент только технология с использованием мембранных биореакторов (МБР)
позволяет радикально усовершенствовать технико-экономические
характеристики процесса биологической очистки и одновременно является решением проблемы доочистки. Гибридные технологии максимально используют достоинства биологических методов и мембранного фильтрования, исключая их недостатки.
Цель работы состояла в создании эффективной технологии глубокой биологической очистки сточных вод с применением мембранной микро- и ультрафильтрации, а также в разработке методики расчета МБР.
Научная новизна работы заключается в том, что:
научно обоснованы и экспериментально подтверждены технологические преимущества глубокой биологической очистки сточных вод в МБР;
показано, что разработанный метод очистки в МБР может применяться для обработки неосветлённых городских сточных вод в условиях существенного колебания их состава;
установлена взаимосвязь параметров и условий работы мембран с технологическими параметрами работы биореактора;
показана высокая стабильность процесса очистки в МБР в условиях существенного колебания состава городской сточной воды;
экспериментально установлена высокая эффективность очистки городской сточной воды от органических загрязнений: по ХГЖ - 80-90%, по БПК - 98,7-99,7%, по аммонийному азоту - 98,5-99,8% и взвешенным веществам при температуре от 8 до 23С, периоде аэрации от 2,5 до 10,3 часов и при более высокой производительности (в 3-4 раза) по сравнению с традиционными аэротенками;
показано, что в МБР процессы биологического окисления органических загрязнений и соединений азота адекватно описываются уравнениями ферментативной кинетики. Для городской сточной воды найдены кинетические константы и коэффициенты, необходимые для расчёта МБР с достижением заданного качества очищенного стока;
определены и технологически аргументированы оптимальные параметры процесса в биореакторе с мембранами (доза ила не более 8 г/л, продолжительность обработки городских сточных вод не менее 4,5-5 часов), а также мембранных блоков — оптимальная величина удельного потока пермеата 0,3-0,35 м /м~.сут.
Практическая значимость результатов работы: - Впервые теоретически и экспериментально обоснованы преимущества и условия применения МБР для очистки сточных вод с достижением
качества очищенного стока до нормативов ПДК рыбохозяйственного водоема (по БПК, взвешенным веществам, соединениям азота) без дополнительной ступени доочистки.
Разработана методика расчета МБР для глубокой биологической очистки сточных вод.
Разработаны рекомендации на проектирование станции очистки городских сточных вод производительностью 30000 м /сут с использованием МБР.
Разработанная технология и метод расчета МБР могут быть использованы при проектировании и реконструкции систем очистки городских и производственных сточных вод.
Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом и длительностью экспериментальных исследований на лабораторных и пилотных установках с реальными сточными водами в различные сезоны года, сходимостью расчетных и экспериментальных результатов, применением стандартизированных методов измерений и анализа, статистической обработкой результатов.
Обоснованность предлагаемых технологических и конструктивных решений подтверждена лабораторными и полупромышленными испытаниями с реальными городскими и производственными сточными водами. Апробация работы и публикации:
Основные результаты данной работы докладывались на 7-ом Международном конгрессе "ЭКВАТЕК-2006" (июнь 2006 г), Международной научно-практической конференции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты» (март 2008 г), Конференция международной водной ассоциации «Мембранные технологии в водоподготовке и очистке сточных вод» (июнь 2008 г), 8-ом Международном конгрессе "ЭКВАТЕК-2008" (июнь 2008 г);
По теме выполненных исследований опубликовано 8 работ, в том числе 2 статьи в журнале, рекомендованном ВАК.
Реализация результатов исследований:
По разработанным рекомендациям выполнен проект городских очистных сооружений г. Шадринск Курганской области производительностью 30000 м3/сут.
На защиту выносятся: Результаты теоретических и экспериментальных исследований по:
изучению основных закономерностей и зависимостей окисления органических загрязнений сточных вод в МБР, в условиях полного удержания биомассы в объёме биореактора;
определению кинетических констант и коэффициент уравнений ферментативных реакций, используемых для описания процессов окисления органических соединений в МБР;
определению оптимальных технологических параметров работы МБР;
определению взаимосвязи параметров и условий работы используемых в МБР мембран с технологическими параметрами работы биореактора;
- методика расчета МБР для глубокой биологической очистки сточных вод.
Структура и объём работы.
- Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка
литературы и приложения. Библиография включает 138 источников, в т.ч.
126 — на иностранном языке. Общий объём диссертации 135 страниц, 41
рисунок и 7 таблиц.
1.COBPEMEHHOE СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕМБРАННЫХ
БИОРЕАКТОРОВ
Первоначально использование мембран в схемах очистки сточных вод и систем охраны водных ресурсов ограничивалось доочисткой [ 1 ]. Ультрафильтрация, микрофильтрация или установки обратного осмоса использовались при очень строгих требованиях на сброс или при необходимости прямого повторного использования очищенной воды. Высокие капитальные и эксплуатационные затраты и недостаточные знания по применению мембран в обработке воды были преобладающими факторами в ограничении области применения этих технологий. Однако с появлением менее дорогих и более эффективных мембранных модулей и ужесточением требований на сброс очищенной воды интерес к мембранным системам возрос вновь.
1.1. Конструктивные решения мембранных биореакторов.
Развитие мембранных технологий происходило от их использования
исключительно для третичной очистки сточных вод к непосредственной интеграции в системы с активным илом. Эти системы в настоящее время наиболее часто упоминаются как мембранные биореакторы [2,3,4,5].
Рис. 1.1.1 иллюстрирует эволюцию внедрения мембранных технологий в процессы биологической очистки [5].
На рис. 1.1.1а представлена традиционная схема биологической очистки сточных вод. На первом этапе (рис. 1.1.lb) 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.
фильтры дезинфекция
сбраживание осадка
(а)
норе
J-J-
(Ь)
сбраживание осадка
Рис. 1.1.1 Эволюция внедрения мембранных технологий в процессы
биологической очистки.
а) традиционная схема биологической очистки сточных вод;
Ь) элемент доочистки сточных вод после вторичного отстойника;
с) замещение вторичных отстойников.
На современном этапе (рис. 1.1.1с) мембранное разделение интегрируется непосредственно в процесс биологической очистки вместо вторичных отстойников, являясь непосредственным элементом технологии очистки и существенно влияя на параметры и условия функционирования биоценоза. Мембранные биореакторы обладают рядом преимуществ, которые делают их серьезной альтернативой другим методам очистки. Прежде всего, это задержание всех взвешенных веществ и части растворимых компонентов сточных вод в биореакторе, что обеспечивает очень высокое качество очищенной воды, отвечающее самым строгим требованиям на сброс или непосредственно для повторного использования [ 2 ]. Возможность задержания бактерий и вирусов обеспечивает относительную стерильность выходящей воды, упрощение систем окончательной дезинфекции и устранение соответствующих опасностей, связанных с побочными продуктами обеззараживания [ 3 ]. Поскольку взвешенные вещества не теряются на ступени осветления, появляется возможность полного разобщения времени пребывания воды в реакторе и времени пребывания твердой фазы (микроорганизмов активного ила и взвешенных частиц исходной сточной воды), возможность раздельного управления возрастом активного ила и гидравлическим временем пребывания. Задержание взвешенных частиц исходной воды в биореакторе позволяет продлить контакт органических загрязнений, в том числе и трудноокисляемых, с микроорганизмами до тех пор, пока они полностью не подвергнутся биологической деструкции. В традиционных системах эти частицы вымываются из биореактора вместе с частью активного ила [4].
Гибридные системы с использованием МБР весьма устойчивы к колебаниям концентраций исходной воды благодаря хорошей адаптации биоценозов [5]. Недостатки гибридных биомембранных систем главным образом были обусловлены экономическими причинами. Систему характеризовали высокие капитальные затраты из-за высокой стоимости мембран и затрат энергии на преодоление градиента давления.
Концентрационная поляризация и другие проблемы загрязнения мембран могут приводить к частой очистке мембран, что останавливает их работу и требует чистой воды и реагентов. Поскольку МБР задерживает все взвешенные вещества и значительную часть растворимого органического вещества, избыточный активный ил может иметь плохую осаждаемость и фильтруемость. Кроме того, при работе с высоким возрастом активного ила неорганические компоненты, накапливающиеся в биореакторе, могут достигать уровней концентраций, которые могут оказывать отрицательное воздействие на микробное население или на мембранные структуры.
Эти проблемы, возникающие при работе МБР, достаточно подробно освещены в научной литературе, однако единого мнения по степени влияния тех или иных факторов на параметры работы мембранных биореакторов нет.
Зарубежный опыт свидетельствует о том, что за последние десятилетие достижения в области нанотехнологий привели к разработке принципиально новых типов микро- и ультрафильтрационных мембран, в частности половолоконных, которые нашли промышленное применение в практике биологической очистки сточных вод.
В зарубежной практике разработка технологии с применением МБР как альтернативной технологии улучшения и усовершенствования традиционных систем биологической очистки сточных вод сводилась к изучению вопросов, связанных с подбором мембран, определением гидравлических условий их работы, поиском методов регенерации мембран и т.д.
Выбор типа и надлежащих технологических параметров гибридных биомембранных установок существенно влияет на технико-экономические показатели их работы. Определяющими и наименее изученными являются параметры процесса фильтрования через мембраны и восстановления их фильтрационных характеристик, поскольку они непосредственно связаны с характером и параметрами проведения процесса в биологических реакторах.
Для применения в МБР используются ряд типов и конфигураций мембран. Это трубчатые, пластинчатые и рамные, дисковые, плоские листовые, половолоконные, органические (полиэтилен, полисульфон, полиэтансульфон, полиолефин, и т.д.), металлические и неорганические (керамические) микрофильтрационные и ультрафильтрационные мембраны. Размер пор мембран, используемых в МБР, варьирует от 0,01 до 0,4 мкм. Величины получаемых потоков пермеата составляли от 0,05 до 10 м /м".сут (м/сут) в зависимости от конфигурации и материала мембран. Типичные значения при 20 С для мембран с фильтрованием изнутри наружу 0,5-2 м/сут, для мембран с фильтрованием снаружи во внутрь — 0,2-0,6 м/сут. Диапазоны трансмембранных давлений составляют от 20 кПа (2,039 м. вод. ст.) до 500 кПа (50 м. вод. ст.) для мембран с фильтрованием изнутри наружу и от 10 (1,02 м. вод. ст.) до 80 кПа (8,16 м. вод. ст.) для мембран с фильтрацией снаружи вовнутрь. Мембранное фильтрование основано на принципе физического барьера, через который подлежащая обработке вода проходит под давлением. Мембрана может быть представлена как селективный барьер между двумя фазами, причём отверстия в мембране должны быть достаточно малы для прохода через них определенных веществ [6]. Различные типы и виды мембран представлены в таблице 1.1.1.
Таблица 1.1.1.
В гибридных биомембранньгх установках в основном находят применение микрофильтрационные мембраны, с размером пор от 0,075 до 3
мкм, что позволяет отделять взвешенные вещества размером более 0,45 мкм, бактерии, цисты и др. (рис. 1.1.2) [7].
Ионы Молекулы Мадюмояаиули Мшрочвстицы Макрочастщы
"--"—"і ІІЇЇ .р % Ц !f Ц»_
Процесс Обратиьй осмосі | лічріфиіцтрдц.. | | Фильтрация частиц
Технологические решения МБР для очистки сточных вод
В зарубежной практике в течение последних пятнадцати лет большое внимание исследователей уделялось разработке мембранных биореакторов для очистки сточных вод на базе ультра- и микрофильтрации, как альтернативной технологии для улучшения и усовершенствования традиционных систем обработки сточных вод с активным илом [15, 16].
Совмещение биологических и микрофильтрационных процессов позволяет также интенсифицировать процесс нитрификации как в аэротенках, предназначенных для глубокой очистки воды, так и в сооружениях с нитри-денитрификацией за счет полной задержки и накопления в реакторе нитрификаторов [17, 18, 19, 20].
Все исследователи приходят к выводу, что применение мембранной микрофильтрации может исключить основной недостаток систем биологической очистки — низкую эффективность разделения активного ила в процессе отстаивания и, соответственно, высокий вынос взвешенных веществ. Отмечается, что в мембранном биореакторе при интенсивной аэрации бактерии не агломерируют в крупные и плотные флокулы, а находятся в дисперсном состоянии [21 , 22 ]. Поскольку увеличивается площадь контакта бактерий с загрязнениями и кислородом, в таких реакторах наблюдается более интенсивный окислительный обмен бактериальных клеток, проводящий к увеличению глубины очистки от органических загрязнений. Кроме того, дисперсное состояние активного ила в мембранном биореакторе и постоянная аэрация иловой смеси, т.е. постоянное омывание мембраны, снижает скорость ее загрязнения, накопление на ней бактерий, тем самым, улучшая ее фильтрационные характеристики. Делается вывод, что погружная микрофильтрация позволяет легко модифицировать любой процесс с активным илом без значительных конструктивных изменений установки.
Практическая апробация мембранного биореактора МБР, разработанного компанией «Дегремон» [21], на очистных сооружениях косметической, целлюлозно-бумажной, фармацевтической и пищевой промышленности, а также при обработке дренажных вод свалок и городских сточных вод показала, что установки МБР являются техническим решением, легко адаптируемым к различным локальным условиям, с широкой областью применения. По сравнению с классической обработкой сточных вод активным илом установки МБР позволяют получить очищенную воду лучшего качества (отсутствие взвешенных веществ, меньшее значение ХПК и т.п.), обеспечивать стабильность качественных характеристик очищенной воды при значительных колебаниях загрязненности исходной сточной воды. Высокая гидравлическая производительность установок МБР (в 3-5 раза выше обычных установок с активным илом при более глубокой степени очистки) обеспечивает компактность очистных сооружений, сокращение площадей, отводимых под строительство.
В работе Rosenberger и др. [ 24 ] изучались фильтрационные характеристики мембраны в биореакторе в условиях полного задержания активного ила при очистке городских сточных вод. Опытная установка состояла из трех зон с общим объемом 3,9 м (рис. 1.2.1). Зона нитрификации (2,5 м ) и зона фильтрации (0,7 м ) с аэрацией, зона денитрификации (0,7 м ) с перемешиванием. Активный ил задерживался погружными мембранным модулем микрофильтрации. Исследования проводились в течение 535 суток на предварительно осветленной сточной воде, поступающей на городские очистные сооружения г. Берлин. ХПК исходной воды в среднем составляло 786 мг/л, азот аммонийный - 50 мг/л, азот нитритов - 0,04 мг/л, нитратный азот - 0,75 мг/л, общий азот - 65,8 мг/л. Модуль Zee Weed ZW150 (Zenon) состоял из нейтральных гидрофильных половолоконных мембран с размером пор 0,2 мкм с общей площадью поверхности 13,9 м2. Мембранный модуль аэрировался, чтобы обеспечить постоянное омывание мембран и их загрязнение свести до минимума. Каждые 10 мин. поток через мембраны направлялся в обратном направлении на 35 сек., для промывки мембран. Когда разность давления превышала 0,5 бар (5,1 м. вод. ст.), мембраны очищались химическим способом. Для этой цели полые волокна промывались изнутри лимонной кислотой, содой, или щёлочью, которая также использовалась для дезинфекции.
Особенности работы мембранных блоков в системах биологической очистки
Вопросы, связанные с процессом забивания мембран и методами их регенерации, весьма актуальны и сложны при практической реализации мембранной технологии в области биологической очистки сточных вод.
Эффективный контроль забивания мембран в процессах микро- и ультрафильтрации в значительной степени зависит от способа и эффективности обратной промывки. Ряд исследований на пилотных установках свидетельствует, что увеличение частоты обратных промывок (т.е. более короткое время работы между циклами промывки) и их длительности значительно снижают степень забивания мембран [60, 61, 62, 63, 64].
Hong предполагает, что эффективность обратной промывки зависит в большей степени от структуры кека, чем от массы частиц, скопившихся на поверхности мембраны [65]. В других работах исследовались различные способы обратной промывки, такие как барботаж воздухом [66] и обратная пульсация [67].
В работе Jiang и др. изучалось забивание мембран в выносных мембранных сепараторах в пилотном мембранном биореакторе [ 68 ]. Использовалось фильтрование с постоянным расходом (18-72 л/м .ч). Воздух вместе с иловой смесью непрерывно подавался в мембранную систему биореактора, чтобы очищать поверхность мембраны. Обратная промывка производилась каждые 5-8 мин в течение 8 сек, для контроля забивания. Хотя процесс блокирования пор заканчивался за 8 сек при расходе 52 л/м".ч, сопротивление от блокирования (в основном необратимого) было основным фактором мембранного загрязнения. Сопротивление слоя кека также играло важную роль, особенно при интервалах между промывками до 10 мин. При фильтровании через слой кека сопротивление было обратимо при комбинированной обратной промывке и очистке мембранной поверхности при подаче воздуха в иловую смесь. В результате был предложен простой метод идентификации обратимого и необратимого блокирования мембран и сопротивления фильтрованию кека.
Характеристики фильтруемой воды существенно влияют на степень забивания мембран в любых мембранных системах. В мембранных биореакторах фильтруемой средой является активный ил, состав которого очень сложен. В основном он включает биологические хлопья, диспергированные бактериальные клетки, органические и неорганические соединения, поступающие либо со сточной водой, либо образующиеся в процессе роста биомассы и ее разложения. Бактерии являются главной составляющей активного ила, и они играют значимую роль в деградации органических веществ и удалении биогенных элементов, простейшие микроорганизмы доочищают воду [69].
В литературе нет единого мнения об основных загрязнителях в МБР. Wisnewski и др. [70], Defrance и др. [71] и Bouhabila и др. [72] исследовали сопротивление мембран, вызываемое растворенными, коллоидными и взвешенными веществами, и пришли к разным выводам. Wisnewski и др. сообщали, что основным загрязнителем мембран являлись растворенные вещества (растворенные вещества - 50 %, коллоиды - 25 %, взвешенные вещества - 25 %). Defrance и др. считают, что основным загрязнителем являются взвешенные вещества (растворенные вещества — 5 %, коллоиды — 30 %, взвешенные вещества — 65 %), позднее Bouhabila и др. сообщили, что коллоиды являются основным источником забивания мембран (растворенные вещества — 26 %, коллоиды - 50 %, взвешенные вещества — 24 %). Различные результатов можно объяснить разницей в технологических режимах биологической очистки, в морфологии использованных мембран, в условиях фильтрования (особенно гидродинамика) и методах сепарации.
Размеры частиц загрязнений могут сильно влиять на механизм загрязнения в системах мембранного фильтрования. Если частицы имеют сравнимые или меньшие чем поры мембраны размеры, то может происходить блокирование пор. Однако, если частицы загрязнителя намного больше, чем поры мембраны, они не могут проникнуть в поры, и на поверхности мембраны будет формироваться слой кека. Большинство мембран (микро- и ультрафильтрации), используемых в МБР, имеют диаметр пор от 0,01 до 0,1 мкм, что находится в диапазоне размеров коллоидов. Однако, большинство загрязнителей (бактериальные хлопья) в МБР намного крупнее размера пор мембран [72, 73, 74] и слишком велики, чтобы проникнуть или пройти сквозь поры. Это является основой высокой задерживающей способности взвешенных веществ в МБР и образования слоя кека на поверхности мембраны. Однако коллоидные и растворенные вещества имеют размеры, соизмеримые с порами мембраны и их задержание мембраной может быть незначительным. Кроме того, механизмы задержания и забивания в основном обусловлены адсорбцией на слое кека или отложением внутри пор мембраны [75]. Во многих случаях накопление кека (слоя осадка) является основным механизмом забивания мембран в МБР.
Lee и др. [75] сообщали, что сопротивление мембраны, сопротивление кека, блокирование и необратимое забивание (блокирование) составляют 12 %, 80 % и 8 %, соответственно, от общего сопротивления погружных мембран в МБР (доза ила 3000 мг/л, 0,1 мкм, мембрана - Mitsubishi UV).
Chang и др. [76] показали, что сопротивление кека было главным в сопротивлении мембраны в системах с активным илом, особенно при низких возрастах ила. Однако растворенные и коллоидные загрязнители также играли существенную роль, поскольку из-за своих небольших размеров они вызывали блокирование пор и необратимое загрязнение.
Bouhabila и др. [72] наблюдали, что фильтрат иловой смеси имеет в 20 — 30 раз большее удельное сопротивление, чем суспензия активного ила, что иллюстрирует высокий потенциал забивания растворенной и коллоидной фракцией активного ила.
Таким образом, процесс забивания мембран носит сложный характер и в значительной степени определяется технологическими режимами работы биологической ступени мембранного биореактора, гидродинамической обстановкой в реакторе, а также параметрами и схемой фильтрования (перекрестная или тупиковая), трансмембранным перепадом давления и скоростью фильтрования. Тем не менее, несмотря на большое число публикаций, единая точка зрения на характер забивания мембран, а также на взаимосвязь интенсивности забивания с параметрами работы биологического реактора до сих пор отсутствует.
Для регенерации мембран используется промывка водная, водовоздушная, а также комбинированная с добавлением реагентов (лимонная кислота, сода, щелочь и др.) [16, 77, 78, 79, 80]. Предпринимались многочисленные попытки уменьшить загрязнение мембран в реакторе. При исследовании влияния различных режимов фильтрования установлено, что пульсирующая фильтрация значительно уменьшает загрязнение мембраны по сравнению с постоянной фильтрацией [77]. Изучение влияния аэрации на удаление бактериальных отложений с поверхности мембраны показало, что аэрация — существенный фактор, влияющий на условия фильтрации [78]. Кроме того, для регенерации мембран также применялась продувка воздухом или промывка под давлением, чтобы поддерживать постоянное трансмембранное давление [79, 80].
Исследование очистки сточных вод в МБР
Лабораторные исследования биологической очистки проводились на модельном стоке в течение 70 суток. В качестве органического субстрата использовался ацетон (источник углерода) с добавлением биогенных элементов. Параллельно с МБР работал аэротенк со свободноплавающим активным илом. В процессе исследований установки работали в двух режимах, отличающихся по концентрации загрязнений в поступающей воде. режим - концентрация органических загрязнений по ХПК до 526 мг/л (в среднем 322 мг/л); 2 режим - концентрация органических загрязнений по ХПК до 882 мг/л (в среднем 615 мг/л);
Увеличение концентрации органических загрязнений по ХПК в исходной воде (в среднем до 615 мг/л) привело к снижению качества очищенного стока в мембранном биореакторе до 32 мг/л и в аэротенке - до 66 мг/л, причём в этом период расход подаваемой на аэротенк сточной воды был уменьшен в 2 раза.
В аэротенке на протяжении всего эксперимента концентрация активного ила поддерживалась в пределах 0,5-2 г/л, при колебаниях илового индекса от 250 до 900 мл/г. В мембранном биореакторе при высоком иловом индексе 200-600 мл/г концентрация активного ила возрастала от 1,5 до 16 г/л (рис. 4.2.2). При этом концентрация взвешенных веществ в пермеате после МБР не превышала 3 мг/л, а в аэротенке после вторичного отстойника наблюдался вынос взвешенных веществ от 30 до 190 мг/л.
Зависимость окислительной мощности от качества очищенной воды Окислительная мощность аэротенка при дозе активного ила 1,5-2 г/л и качестве очищенного стока по ХПК 30-50 мг/л не превышала 0,5-0,7 кг/м .сут, в то время как окислительная мощность мембранного биореактора при той же степени очистки составляла 2-2,5 кг/м .сут при дозе ила в реакторе до 10-36 г/л (рис. 4.2.4).
Зависимость окислительной мощности (по ХПК) от дозы ила Однако, увеличение концентрации активного ила в МБР свыше 10-12 г/л приводит к ухудшению гидродинамической обстановки в реакторе, снижению массообменных характеристик системы, затруднению доступа кислорода к активному илу, наблюдаются процессы самоокисления ила, которые сопровождаются ухудшением качества очищенной воды за счет лизиса бактериальных клеток.
Проведенные исследования подтвердили перспективность гибридной биомембранной технологии для биологической очистки сточных вод.
Результаты работы лабораторных установок показали, что совмещение микрофильтрационных процессов с биологическим окислением обеспечивает:
1. увеличение глубины очистки и достижение качества очищенной воды до нормативов на сброс в водоем рыбохозяйственного назначения;
2. повышение окислительной мощности аэрационных сооружений по удалению органических загрязнений и соединений азота в 3-4 раза за счет накопления до оптимальной величины активного ила в системе;
3. практически полное задержание взвешенных веществ; стабильную эффективность очистки при наличии активных илов с высоким иловым индексом (до 250 мл/г и выше), когда метод гравитационного илоотделения не приемлем;
4. устойчивость процесса биологического окисления органических соединений и соединений азота;
5. удаление органических загрязнений сточной воды в МБР и традиционных аэротенках описывается идентичными зависимостями.
Конструктивное оформление и система автоматического контроля и управления
Конструктивное оформление мембранных биореакторов определяется принятой технологической схемой, типом применяемых мембранных блоков и местными условиями на площадке (наличие существующих емкостных сооружений, свободных площадей для их размещения, имеющейся строительной базой).
В любом случае надежная работа мембранного биореактора обеспечивается наличием современной системы автоматического управления и контроля. Технологическая схема биореактора с указанием основных ее элементов и подсистем, подлежащих автоматизации представлена на рис. 5.2.1 и 5.2.2. Основными технологическими подсистемами мембранного биореактора являются: Система подачи сточных вод и отвода пермеата. Система удаления пермеата и обратной промывки. Процесс биологической очистки, который реализуется в штатном режиме при поддержании расчетных технологических параметров: - время пребывания сточной жидкости в аэротенке и в каждой его зоне (зона нитрификации, зона денитрификации, зона мембранных блоков); - заданная концентрация растворенного кислорода; заданная степень рециркуляции иловой смеси между зонами денитрификации и нитрификации; заданная концентрация активного ила в иловой смеси; - заданная интенсивность крупнопузырчатой аэрации в зоне мембранных блоков; Удаление избыточного ила.
Расчетная концентрация активного ила поддерживается путем откачки определенного количества иловой смеси из аэротенка в илоуплотнитель под гидростатическим давлением (если позволяет высотная схема) или при помощи насоса.
Сжатый воздух от турбовоздуходувки ВД с давлением порядка 0,6 ати подается для: - поддержания оптимальной концентрации растворенного кислорода в иловой смеси аэротенка; - работы эрлифта, обеспечивающего циркуляцию иловой смеси между зоной денитрификации и зоной нитрификации; - пневматической очистки мембран. Система поддержания оптимальной концентрации растворенного кислорода в реакторе. Эрлифт, обеспечивающий циркуляцию иловой смеси между зоной денитрификации и зоной нитрификации. Пневматическая очистка мембран. Для непрерывной очистки поверхности половолоконных мембран, погруженных в иловую смесь, под мембранными блоками 4 монтируются крупнопузырчатые аэраторы 5, в которые подается воздух от турбовоздуходувки ВД.
Скорость фильтрования для исследованных мембран рекомендуется принимать от 0,3 до 0,35 м /м .сут. Для станции производительностью 30000 м /сут. потребуются половолоконные мембраны (с размерами пор от 0,2 до 0,05 мкм.) суммарной площадью 66000 м". При расчёте использовалось значение потока 0,45 м /м .сут (по данным производителя мембран).
Расчет технико-экономических показателей сравниваемых вариантов производился по справочным данным [138] и инструктивно-нормативным материалам. В соответствии с постановлением Госстроя России от 08.04.02. № 16, допускается использование нормативной базы 1984 г., объектные сметы при этом составляются на основании локальных смет (сметных расчетов) в базисном уровне цен 1991 г.; пересчет в цены 1991 г. осуществляется по индексам изменения стоимости СМР, оборудования и прочих затрат в соответствии с письмом Госстроя СССР от 06.09.90 г. № 14 -Д и от 12.09.90 г. № 15 - Д. При расчете не учитывались расходы на здание, отопление и заработную плату обслуживающего персонала очистных сооружений. Предварительный расчёт показал, что состав и количество оборудования по обоим вариантам можно принять одинаковым, поэтому стоимость оборудования в общий расчёт затрат не включена. Коэффициент пересчёта цен на строительно-монтажные работы с уровня цен 1987 г. в цены 1991 г. составляет 1,55. Письмом Росстроя №ВБ-82/02 от 16.01.2008 г. утверждён коэффициент пересчёта цен на строительно-монтажные работы для Московской области в цены 1 кв. 2008 г. в размере 63,53 (без НДС).
Технико-экономическая оценка предлагаемой схемы с применением МБР по сравнению с традиционной технологией очистки сточных вод показала, что стоимость строительно-монтажных работ по двум вариантам практически равна, но при использовании разработанной гибридной биомембранной технологии достигается экономия за счёт сокращения расходов по таким статьям, как амортизация зданий и сооружений, содержание и текущий ремонт зданий и сооружений. Также в связи с уменьшением количества работающего персонала можно прогнозировать снижение расходов на содержание цехового персонала, заработную плату с начислениями, социальные отчисления, которые трудно поддаются расчёту на стадии анализа новых технологических решений. Снижение затрат на этапе капитального строительства происходит в связи с сокращением занимаемых очистными сооружениями площадей (в рассматриваемом варианте более чем в 7 раз по занимаемой площади), учитывая, что в последнее время наблюдается стойкая тенденция к увеличению стоимости земельного участка. В рассматриваемом варианте по традиционной схеме рыночная стоимость земельного участка достигает 45 - 50% от стоимости строительно-монтажных работ данного состава очистных сооружений. При реконструкции существующих очистных сооружений применение МБР позволяет увеличить глубину очистки сточных вод без дополнительного увеличения занимаемых площадей. Годовой экономический эффект может быть рассчитан как разница приведенных затрат при замене одного варианта другим исходя из точных данных о приведенных затратах с учётом капитальных вложений, включающих стоимость оборудования, затрат на зарплату персонала и эксплуатационных затратах.
Похожие диссертации на Очистка сточных вод в мембранном биореакторе
