Методы очистки, позволяющие из сточных вод получить воду питьевого качества

 

Микрофильтрация - механическое фильтрование тонкодисперсных и коллоидных примесей размером, как правило, выше 0,1 мкм. Обычно элементы микрофильтрации устанавливаются в качестве подстраховки на последних ступенях очистки в комплексах водоподготовки. Микрофильтрация применяется в медицине, пищевой промышленности на предприятиях производящих алкогольные и безалкогольные напитки, вино, пиво, растительное масло, другие продукты, для очистки воды в системах водоподготовки, для фильтрования полуфабрикатов, ингредиентов, различных технологических сред, готового продукта перед розливом, для очистки воздуха и газов и т.д.

Ультрафильтрация - по рейтингу фильтрации воды занимает промежуточное положение между нанофильтрацией и микрофильтрацией. Ультрафильтрационные мембраны имеют размер пор от 20 до 1000 A (или 0,002-0,1 мкм) и позволяют задерживать тонкодисперсные и коллоидные примеси, макромолекулы (нижний предел молекулярной массы составляет несколько тысяч), водоросли, одноклеточные микроорганизмы, цисты, бактерии и вирусы и т.д.

Нанофильтрация - применяется для получения особо чистой воды, очищенной от бактерий, вирусов, микроорганизмов, коллоидных частиц органических соединений (в том числе пестицидов), молекул солей тяжелых металлов, нитратов, нитритов и других вредных примесей. Большим преимуществом нанофильтрации перед обратным осмосом при производстве питьевой воды - является сохранение жизненно необходимых для здоровья человека солей и микроэлементов.Обратный осмос - применяется для произвостдва сверх чистой воды, размеры пор в обратноосмостических мембранах сопоставимы с размером молекулы воды. Таким образом происходит очистка воды от всех растворимых и нерастворимых примесей.

 

 

4. Практическое применение

 

Для тонкой и сверхтонкой очистки сточных вод применяется метод обратного осмоса и ультрафильтрации. Данные методы реализуются в процессе фильтрования сточной воды через полупроницаемые мембраны при давлении превышающем осмотическое. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая молекулы растворенного вещества, размеры которых не больше молекул растворителя (обратный осмос при давлении до 10 МПа) или на порядок их больше (ультрафильтрация при Р = О,1--0,5 МПа).

Обратный осмос используют для разделения растворов, содержащих частицы с размерами 0,0001--0,001 мкм, а ультрафильтрацию -- для частиц с размерами 0,001--0,02 мкм. Данные методы рекомендуется применять при содержании в электролитах:

одновалентных солей -- не более 10%,

двухвалентных -- 15%,

многовалентных -- 20%.

 

4.1 Опреснение сточных вод методом обратного осмоса

 

Возможные пути воспроизводства пресной воды на планете (переброска каналами многоводных рек, транспортировка айсбергов) не во всех регионах реализованы. В то время как по всей ее территории имеются минерализованные, сбросные и морские воды, опреснение которых при создании высокоэффективных технологий опреснения навсегда устранят существующую проблему дефицита воды.

Среди весьма перспективных методов является технология обратно-осмотического опреснения. Физическая сущность этого процесса состоит в фильтровании через сборку полупроницаемых мембран морской или соленой воды, которые обладают селективной способностью пропускать только молекулы воды, задерживая солевые компоненты. Протекание процесса представлено схемой на рис.8.

 

Рис.8. Принцип процесса обратного осмоса:

вода: а -пресная, б -морская А - прямой осмос; Б - установившееся равновесие; В - обратный осмос.

 

При создании повышенного давления на концентрированный раствор, можно превзойти давление осмотическое, что приведет к обратному перепуску молекул воды в сторону менее концентрированного раствора. На этом принципе реализована технология обратно-осмотического опреснения. Обратно-осмотические установки обладают возможностью опреснения как высокоминерализованных вод, так и очистки сбросных и возвратных вод, что позволяет применять их не только для получения пресной воды, но и использовать в схемах водоподготовки тепловых станций, а также получения питьевой воды высокого качества Принципиальная схема такой установки (рис.2) содержит фильтровальную установку, очищающую поступающую на опреснение воду, насосный агрегат для создания высокого давления на полупроницаемых мембранах, а также систему мембранных модулей, в которых протекает процесс разделения исходной воды на чистую воду и рассол.

 

Рис.9. Схема обратно-осмотического опреснителя

 

Этот метод опреснения характеризуется относительно меньшими расходам энергии на ведение процесса, не требует затрат дорогостоящей тепловой энергии. Однако его широкое практическое использование до настоящего времени сдерживается из-за меньшей производительности установки, трудности опреснения морской и соленой воды высокой концентрации, низкой механической прочности модулей. К числу разновидностей установок обратного осмоса следует отнести технологию опреснения электродиализом. Этот процесс основан на переносе ионов растворенных в воде солей в электрическом поле, создаваемом погруженными в нее электродами. Движение заряженных ионов раствора, направленное: катионы перемешаются к катоду, а анионы - к аноду. С возрастанием барьерного потенциала на электродах начинается разряжение контактных пластин камерной ванны с восстановлением на катоде ионов металлов и иона водорода, который выделился в процессе диссоциации воды. Образовавшийся газообразный водород удаляется из опресняемой воды, члены (ОН-) в соединении с ионами натрия переходят в щелочь. Молекулы кислорода взаимодействуют в анодной камере с хлором, формируют кислоту. Для предотвращения обратной реакции в камерах, где расположены анодные и катодные пластины устанавливают ионоселективные мембранные перегородки, через которые проходят или только катионы, или только анионы. Оставшаяся после электродиализа вода постепенно удаляется из камер. Особенностью этого метода является его ограниченная возможность опреснения вод с высокой минерализацией. Его можно использовать с целью производства кислот и щелочей. Энергоемкость получения конечного продукта - воды достаточно высока, а производительность не велика.

Как показывает предварительный анализ всех современных методов опреснения на современном этапе каждый из них не достиг абсолютного совершенства. Этим объясняется сдерживающее их использование при опреснении морских и соленых вод. Однако эти суждения, дающие только общие трактования о физической сущности процессов опреснения, не являются определяющими в решении проблемы воспроизводства запасов пресной воды не планете и должны рассматриваться в комплексе с другими путями ее получения. Многие из возникающих трудностей и недостатков могут быть устранены совершенствованием процесса, рациональным конструктивным решением, перестройкой цикла опреснительной установки, снижением энергозатрат, привлечением нетрадиционных энергоисточников, комплексной переработкой исходной воды до сухого остатка с извлечением побочных продуктов. Все эти меры приведут к существенному снижению стоимости процесса опреснения и расширят сферу его использования. Эти положения подтверждаются числом опреснительных установок, на которых получают воду во всем мире с суммарной выработкой более 20·106 м3 в сутки.

4.2 Технологическая характеристика опреснения обратным осмосом

 

Развитие мембранной технологии выдвинуло в число промышленно используемых типов опреснительных установок, установки обратного осмоса. В количественном отношении они опережают термические и догоняют их по производительности. Общее число их в мире достигло 4890 единиц, а производительность составила 2285 тыс. м3/сут. Среди стран, имеющих наибольшее количество таких агрегатов в США сооружено 31,1% от общего числа, в Саудовской Аравии-18,8 %, Японии- 10,5%. При этом необходимо отметить, что большая их часть (до 65%) перерабатывает сбросные и речные воды.

Большой интерес к технологии опреснения обратным осмосом объясняется тем, что по своим энергозатратам этот способ несколько выигрывает по сравнению с дистилляцией, в предположении получить воду более низкой стоимости. Анализ показывает, что производство воды по такому принципу в последние годы снижается. Так если в 1999 г. на этой основе получено 506 тыс. м3/сут воды, то в 2002 г. лишь 426 тыс. м3/сут.

Для того чтобы опреснить воду, необходимо создать давление, например, на морскую воду, превышающее осмотическое, и вызвать тем самым обратное фильтрование пресной поды. Такой процесс, как отмечалось ранее, называют обратно-осмотическим. Он протекает без фазовых превращений, что позволяет снизить затраты энергии на разделение до минимальной термодинамической энергии.

На увеличение энергозатрат при опреснении обратным осмосом влияет концентрационная поляризация, так как проход молекулы воды через мембраны вызывает повышение концентрации солей у их поверхности, что приводит к снижению скорости фильтрации и степени опреснения из-за уменьшения гидротации ионов вследствие падения эффективного давления, вызываемого возрастанием осмотического. Происходящая при этом закупорка пор в мембране солями ухудшает работу установки и требует дополнительных расходов энергии для снижения концентрационной поляризации за счет увеличения скорости течения исходной воды и турбулизации потока. Концентрационная поляризация связана с увеличением химического потенциала на поверхности мембраны, что уменьшает движущую силу при фильтровании. При достижении состояния насыщения, выпадение осадка увеличивает гидростатическое давление. Неравномерное распределение осадка по поверхности меняет сепарационную характеристику мембраны.

Общий расход энергии на ведение процесса обратного осмоса зависит от гидравлических потерь в модулях, мощности, потребляемой насосной установкой, прокачивающей воду, от затрат энергии на ее подвод и предварительную подготовку

В сравнении с термической дистилляцией затраты энергии на обратный осмос 195-200 МДж/м³,в то время как у первой - 130-200 МДж/м³.

Наиболее эффективны такие установки при опреснении солоноватых (2-5г/л) вод и сбрасываемых вод с целью экологической защиты акваторий, на которые они сбрасываются.

Это подтверждается тем, что из всех находящихся в эксплуатации - меньшая часть опресняет морскую воду.

Эффективность процесса обратного осмоса определяется взаимодействием мембраны с исходной водой, которое зависит от удельной проницаемости, селективности, коэффициента извлечения, площади мембраны, концентрационной поляризации, перепада давлений и температуры.

По рекомендациям В.П. Дубляга классификацию мембран можно производить по следующим критериям.

1. Метод получения мембран: на основе расплавов полимеров сухого, мокрого, и сухомокрого формирования; полиэлектролитных комплексов; выщелачивания продуктов полимера; порообразования с помощью ядерных частиц осаждения продуктов плазменной поляризации на пористой подложке.

2. Функциональное назначение, определяемое рабочей средой.

3. Структурное назначение и материал: монолитные и пористые мембраны.

Если в поверхностном слое плотность полимера выше плотности в основной массе, то такие мембраны называют асимметричными.

К числу важнейших свойств относят разделяющую способность, удельную производительность, стабильность их во времени, стойкость к кислотам и щелочам.

Разделяющую способность оценивают по коэффициенту селективности или разделения. Важным является коэффициент проницаемости, представляющий собой количество вещества, проходящего через поверхность в единицу времени при единичном перепаде давления.

Стабильность свойств мембраны является важнейшим, так как обеспечивает их надежность при эксплуатации. Стойкость к кислотам и щелочам особенно необходима при опреснении, потому что влечет за собой последующий выход установки из рабочего состояния, что проявилось при использовании ацетатцеллюлозных мембран, мало отвечающих этому требованию. Более надежны мембраны из ароматических полиамидов и полисульфатов.

Изменение структуры полимерных мембран, снижение их селективности и производительности происходит из-за резких колебаний давлений, температур и концентраций и нарушения состояния пор компонентами опресняемой среды, что в конечном итоге выводит комплектующие их модули из эксплуатации.

Работоспособность полупроницаемых мембран зависит от осадкообразования, вызываемого выпадением солей на поверхностном слое, которое забивает поры, нарушает гидродинамику перемещения потока и массообмен в пограничном слое. Этот процесс приводит к увеличению концентрационной поляризации, возникающей за счет образования у поверхности мембраны растворенных веществ с концентрацией большей, чем в основном объеме, а также к уменьшению производительности и удержания солей при опреснении. Это явление отрицательно сказывается на процессе разделения, так как снижает эффективное давление из-за возрастания осмотического, что определяет скорость фильтрования растворителя и селективность мембраны.

Концентрационная поляризация - одна из основных причин эксплуатационных ограничений процесса обратного осмоса из-за негативных явлений, влияющих на внутримембранный процесс. В связи с этим требуется весьма тщательная предварительная обработка морской воды.

Эффективность опреснения определяется общим загрязнением как осадкообразованием так и выпадением дисперсных частиц и коррозией.

Характеристики полупроницаемых мембран зависят от значений рН, так как это вызывает изменение их ионообменной способности. Она влияет на размер коллоидных частиц, из которых получена мембрана, растворяет и коагулирует их. От рН и содержания солей жесткости зависит скорость образования сульфатных и карбонатных отложений.

Для сульфатных отложений их структура рыхлая, а для карбонатных, плотная, покрывающая поверхность мембраны. Жесткость проявляется в изменении селективности водопроницаемости мембран, что вызвано изменением размера пор полупроницаемого слоя.

Выполненный анализ позволяет сделать вывод, что установки обратного осмоса требуют обеспечения высокой степени чистоты опресняемой воды и ее предварительной водоподготовки. Высокая начальная концентрация солей в морской воде до настоящего времени является одной из причин меньшего количества установок такого типа, работающих на морской воде. Большая их часть работает как водоподготовительная или водоочистительная.

4.3 Выбор оборудования

 

Среди мембранных аппаратов наиболее распространены аппараты с рулонными (спиральными) фильтрующими элементами, с плоскокамерными фильтрующими элементами (типа «фильтр-пресс»), с трубчатыми фильтрующими элементами, с мембранами в виде полых волокон. В установках большой производительности целесообразно использовать аппараты первого или четвертого типа как наиболее компактные (ввиду высокой удельной поверхности мембран).