Мембранные биореакторы для очистки сточных вод

 

 

 

 

Реферат

 

Мембранные  биореакторы для очистки сточных  вод

 

 

 

 

 

 

 

 

2010

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Перечень  терминов и сокращений

Сточные воды –  по ГОСТ 17.1.1.01-77 – воды, отводимые  после использования в бытовой  и производственной деятельности человека.

Очистка сточных  вод – по ГОСТ 17.1.1.01-77 – обработка  сточных вод с целью разрушения или удаления из них определенных веществ.

Аэробный процесс  очистки сточных вод – процесс  разрушения органических веществ микроорганизмами в присутствии кислорода воздуха.

Аэротенк – сооружение для биологической очистки сточных вод с аэрацией воздухом.

Активны ил –  ил, содержащий микроорганизмы, которые  сорбируют и разлагают загрязняющие  вещества в сточных водах.

Мембрана –  жесткая селективно-проницаемая  перегородка, разделяющую массообменный  аппарат на две рабочие зоны, в  которых поддерживаются различные давления и составы разделяемой смеси.

КОС – канализационное  очистное сооружение.

УФС— устройство фильтрующее самоочищающееся.

БПК - биологическое потребление кислорода.

СВ – сточные  воды.

MLSS - максимальное стабильное содержание лактата.

 

Введение

Вода - ценнейший  природный ресурс. Она играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей человека, всех растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.

Потребности в  воде огромны и ежегодно возрастают. Так, например, в России почти 500 кубических метров воды на человека расходуется  ежегодно. Для сравнения: в мире этот показатель составляет 200-250 кубических метров воды на человека в год [1]. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения составляет 3300-3500 км³ [2].

Много воды потребляют химическая и целлюлозно-бумажная промышленность, черная и цветная металлургия. Развитие энергетики также приводит к резкому  увеличению потребности в воде. Значительное количество воды расходуется для потребностей отрасли животноводства, а также на бытовые потребности населения. Большая часть воды после ее использования для хозяйственно-бытовых нужд возвращается в реки в виде сточных вод.

Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все более возрастающие потребности промышленности и сельского хозяйства в воде заставляют все страны, ученых мира искать разнообразные средства для решения этой проблемы.

На современном  этапе определяются такие направления рационального использования водных ресурсов: более полное использование и расширенное воспроизводство ресурсов пресных вод; разработка новых технологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды.

 

1. Очистка сточных вод. Этапы

Очистка сточных  вод - комплекс мероприятий по удалению загрязнений, содержащихся в бытовых и промышленных сточных водах. Обычно осуществляется в КОС установках [3]. .

Очищение происходит в  несколько этапов:

• механический;
• биологический;
• физико-химический;
• иногда дезинфекция сточных вод.
1. Механический этап

Производится  предварительная очистка поступающих на очистные сооружения сточных вод с целью подготовки их к биологической очистке. На механическом этапе происходит задержание нерастворимых примесей.

Сооружения для механической очистки сточных вод:

• решётки (или УФС) и сита;
• песколовки;
• первичные отстойники;
• мембранные элементы;
• септики.

Для задержания крупных загрязнений органического и минерального происхождения применяются решётки и для более полного выделения грубодисперсных примесей - сита. Максимальная ширина прозоров решётки составляет 16мм. Отбросы с решёток либо дробят и направляют для совместной переработки с осадками очистных сооружений, либо вывозят в места обработки твёрдых бытовых и промышленных отходов.

Затем стоки проходят через песколовки, где происходит осаждение мелких частиц (песок, шлак, бой стекла т. п.) под действием силы тяжести и жироловки, в которых происходит удаление с поверхности воды гидрофобных веществ путём флотации. Песок из песколовок обычно складируется или используется в дорожных работах.

В последнее время мембранная технология становится перспективным способом при очистке сточных вод. Очистка сточных вод с использованием прогрессивной мембранной технологии применяется в комплексе с традиционными способами, для более глубокой очистки стоков и возврата их в производственный цикл.

Очищенные таким образом  сточные воды переходят на первичные отстойники для выделения взвешенных веществ. Снижение БПК составляет 20-40%.

В результате механической очистки удаляется до 60-70% минеральных загрязнений, а БПК₅ снижается на 30%. Кроме того, механическая стадия очистки важна для создания равномерного движения сточных вод (усреднения) и позволяет избежать колебаний объёма стоков на биологическом этапе.

2. Биологический этап

Биологическая очистка предполагает деградацию органической составляющей сточных вод микроорганизмами (бактериями и простейшими).

На данном этапе происходит минерализация сточных вод, удаление органического азота и фосфора, главной целью является снижение БПК₅.

Могут использоваться как аэробные, так и анаэробные микроорганизмы.

С технической точки зрения различают несколько вариантов  биологической очистки. На данный момент основными являются активный ил (аэротенки), биофильтры и метантенки (анаэробное брожение).

Первичные отстойники, куда на этом этапе попадает вода, предназначены  для осаждения взвешенной органики. Это железобетонные резервуары глубиной пять метров и диаметром 40 и 54 метра. В их центры снизу подаются стоки, осадок собирается в центральный приямок проходящими по всей плоскости дна скребками, а специальный поплавок сверху сгоняет все более легкие, чем вода, загрязнения, в бункер.

Также в биологической  очистке, после первичных отстойников, существует вторая линия радиальных отстойников. Это илососы. Они предназначены для удаления активного ила со дна вторичных отстойников очистных сооружений промышленных и хозяйственных стоков.

3. Физико-химический этап

Для улучшения  параметров очистки могут быть применены  различные химические методы, как, например, дополнительная седиментация фосфора солями Fe и Al, хлорирование, озонирование, а также физико-химические методы, такие как электрофлотация.

4. Дезинфекция сточных вод

Для окончательного обеззараживания сточных вод  предназначенных для сброса на рельеф местности или в водоем применяют установки ультрафиолетового облучения.

Для обеззараживания  биологически очищенных сточных  вод, наряду с ультрафиолетовым облучением, которое используется, как правило, на очистных сооружениях крупных городов, применяется также обработка хлором в течение 30 минут.

Хлор уже  давно используется в качестве основного  обеззараживающего реагента практически  на всех очистных станциях городов. Поскольку хлор довольно токсичен и представляет опасность очистные предприятия многих городов уже активно рассматривают другие реагенты для обеззараживания сточных вод такие как гипохлорит, дезавид и озонирование.

 

2. Мембранные технологии очистки сточных вод

Промышленные мембранные установки должны соответствовать следующим требованиям [4], которые необходимо учитывать на стадии проектирования:

• большая рабочая поверхность мембран на единицу объема установки;
• простота монтажа и обслуживания системы;
• жидкость при движении по мембранным элементам должна распределяться равномерно и обладать достаточно высокой скоростью течения для уменьшения вредного воздействия концентрационной поляризации;
• обеспечивать минимальный перепад давления в установке (потеря напора питающего потока);
• обладать герметичностью, коррозионной стойкостью и достаточным запасом механической прочности для работы аппарата при повышенных давлениях и с агрессивными химическими средами.

Создать оборудование, полностью удовлетворяющее всем перечисленным выше требованиям, невозможно, следовательно, для каждого конкретного мембранного процесса проектируется установка такой конструкции, которая обеспечит оптимальные условия ведения процесса разделения / концентрирования.

Мембранные  установки имеют основные четыре типа, различающиеся по способу расположения мембран:

• установки с плоскими мембранными элементами;
• установки с трубчатыми мембранными элементами;
• установки с мембранными элементами рулонного типа;
• установки с половолоконными мембранами.

Во всех установках для ведения мембранных процессов могут быть использованы как мембраны с жесткой структурой (керамические) так и уплотняющиеся мембраны (полимерные).

Ниже представлены наиболее распространенные области  применения мембранных технологий для  очистки сточных вод, основные рабочие диапазоны мембран, а также стандартные энергетические затраты и степень извлечения для различных мембранных процессов.

Необходимо  отметить, что за последние годы наблюдается тенденция снижения рабочего давления для всех мембранных процессов, за исключением электродиализа. Ожидается, что рабочие давления будут и дальше снижаться по мере разработки новых мембран.

1. Сферы применения мембранных технологий в водоочистке

В таблице 1 приведены  сферы применения мембран в различных  видах очистки сточных вод, а также представлено краткое описание технологий  соответствующих процессов.

Таблица 1. Сферы  применения мембранных технологий водоочистке

Применение  мембран	Описание технологии
Микрофильтрация и ультрафильтрация
Аэробная биологическая  очистка	Мембрана применяется для отделения очищенных сточных вод от иловых масс, образовавшихся в процессе очистки с помощью биологически активного ила. Подобные процессы проводят в мембранных биореакторах. Разделительный мембранный модуль может быть погружен внутрь биореактора или находиться вне его.
Анаэробная  биологическая очистка	Мембрана применяется  для отделения очищенных сточных  вод от биомасс, образовавшихся в  анаэробном реакторе полного смешения.
Аэрация при  биологической очистке	Плоские, рамочные, трубчатые, половолоконные мембраны используются для подачи чистого кислорода в биореактор. Подобные процессы проводят в мембранных аэрационных биореакторах.
Мембранная  экстракция при биологической очистке	Мембраны применяются  для экстракции разлагающихся органических молекул из неорганических компонентов (кислот, оснований и солей) сточных вод с последующей биологической очисткой. Подобные процессы проводят в экстракционных мембранных биореакторах.
Предварительная очистка для эффективной дезинфекции	Применяется для удаления остаточных взвешенных твердых частиц из вторичных промышленных отходов или из сточных вод с глубины или с поверхности фильтра для достижения эффективной дезинфекции с использованием хлора, ультрафиолетового излучения.
Предварительная очистка для нанофильтрации и обратного осмоса	Микрофильтрация применяется для удаления остаточных коллоидных и взвешенных твердых  частиц как этап предварительной  очистки.
Нанофильтрация
Оборотное водоснабжение  предприятий (повторное использование СВ после очистки)	Нанофильтрация  применяется для очистки предварительно отфильтрованных стоков (обычно с  микрофильтрацией) для вторичного использования.
Умягчение воды и очищенных сточных вод	Используется  для снижения концентрации ионов, способствующих появлению жесткости.
Обратный осмос (Гиперфильтрация)
Оборотное водоснабжение  предприятий (повторное использование  сточных вод после очистки)	Используется  для обессоливания предварительно очищенных сточных вод(обычно с  электрофлотацией и ультрафильтрацией). Также можно применять для обеззараживания воды, когда используется обратный осмос.
Мембранное  концентрирование загрязнений	Процессы обратного  осмоса, как было подтверждено, способны удалять большие количества отобранных компонентов.
Двухстадийная очистка в процессе водоподготовки для котельных и бойлеров	Две стадии обратного  осмоса применяются для производства воды, пригодной для бойлерных, работающих под высоким давлением.