7819

11

Рисунок. 2.1. Обратноосмотический аппарат рулонного типа:

1 — корпус; 2 — рулонный фильтрующий элемент; 3 — уплотняющее кольцо;4 — водоотводная трубка; 5 — муфта; I — исходная вода; II — фильтрат; III

— концентрат

Рисунок 2.2. Модуль с U-образной укладкой полых волокон:

1 — сборная камера; 2 — перфорированная трубка; 3 — пучок полых волокон; 4 — корпус; 5,8 — патрубки; б — фланец; 7 — концевой блок; 9 — вход обрабатываемой воды; 10 — выход концентрата; 11 — выход фильтрата

Для работы аппаратов обратного осмоса требуется тщательная очистка воды от коллоидных и грубодисперсных примесей, для чего в системе предочистки используются механические фильтры с зернистой загрузкой, а также сетчатые, намывные и др. Установки комплектуются системами химической и биологической очистки мембран, приборами и устройствами автоматики.

1.2 БОРЬБА С ОТЛОЖЕНИЯМИ НА ПОВЕРХНОМТИ МЕМБРАН

Для определения способа (способов) борьбы с отложениями на поверхности мембран, прежде всего, следует проанализировать причины падения потока. Надо суметь отличить, вызвано ли снижение производительности явлением концентрационной поляризации или отложением осадков на мембранах. И хотя эти явления, как правило, связаны (второе часто оказывается результатом первого), возможны варианты, когда отложения осадков на мембранах являются результатом процессов, напрямую не связанных с явлением концентрационной поляризации. Все отложения загрязнений, возникающих на мембранах, грубо можно подразделить на три вида:

•Осадки органических веществ (макромолекулы, биологические вещества, микробиологические пленки и др.);

12

•Осадки неорганических веществ (гидрооксиды металлов, кальциевые соли и т.д.);

•Твердые частицы и коллоидные примеси.

- Подготовка исходных фильтруемых растворов

Методы обработки исходных растворов могут включать: тепловую обработку, регулирование рН, добавление комплексообразующих агентов, биоцидов, коагулянтов, адсорбцию на активированном угле, химическое осветление растворов, катионирование, предварительные микрофильтрацию и ультрафильтрацию. Правильный выбор метода подготовки растворов — первый шаг к снижению забивания мембран.

- Изменение свойств мембран

Склонность к образованию осадков зависит от свойств мембраны. Так, забивание пористых мембран (микрофильтрационных, ультрафильтрационных) выражено значительно сильнее, чем для плотных или непористых мембран (обратноосмотических). Гидрофильные мембраны менее склонны к засорению по сравнению с гидрофобными. В частности высокомолекулярные органические соединения, как правило, сильнее адсорбируются на гидрофобных поверхностях, с которых их труднее удалить, чем с гидрофильных. Заряженные (особенно отрицательно) мембраны также менее склонны к забиванию, особенно в присутствии отрицательно заряженных коллоидных частиц в исходной воде.

- Изменение режимных параметров

При снижении концентрационной поляризации степень засорения мембран также снижается. Концентрационную поляризацию можно снизить, увеличивая коэффициенты массопереноса, т.е. за счет роста скорости потока, его турбулизации, или используя мембраны меньшей производительности.

- Очистка мембран

Следует различать три типа процессов очистки поверхности мембран: гидравлическую, механическую и химическую. Выбор метода очистки зависит главным образом от конфигурации мембранного модуля, химической стабильности мембраны и типа загрязнений.

Гидравлическая очистка. Включает в себя обратную промывку, которая пригодна только для микрофильтрационных и крупнопористых ультрафильтрационных мембран;

Механическая очистка применима только для трубчатых мембранных систем; в ней используются губчатые шары большего диаметра, чем у трубчатой мембраны; Химическая очистка — наиболее действенный и важный метод борьбы с засорами обратноосмотических мембран. В этом случае используется целый ряд химических реагентов, как в индивидуальном виде, так и в различных комбинациях.

13

В зависимости от химической устойчивости мембран здесь очень важно правильно выбрать реагент, его концентрацию и время очистки.

Дезинфекционная очистка — один из методов химической обработки мембран.

ИНГИБИТОРЫ

Для борьбы с осадкообразующими веществами более эффективно и экономически выгодно применение ингибиторов, особенно в случае, если загрязнителей несколько. Ингибиторы - это вещества, которые замедляют или предотвращают кристаллизацию малорастворимых солей из раствора. В качестве ингибиторов применяют комплексные соединения высокомолекулярных органических кислот, например фосфоновых-- фосфорсодержащие комплексоны, которые образуют комплексные соединения с катионами металлов. Комплексоны - это многоосновные кислоты, которые при диссоциации могут изменять pH раствора в диапазоне от 2 до 14. Они способны образовывать устойчивые соединения с ионами щелочных, щелочноземельных и редкоземельных металлов. Для устойчивого ингибирования осадкообразования достаточно внести от 1 до 10 миллионных долей фосфоната в насыщенный раствор карбоната кальция.

Комплексонаты металлов имеют хорошую растворимость и абсолютно безвредны для человека, поэтому могут применяться не только в промышленной водоподготовке, но и в получении питьевой воды. Они адсорбируются на поверхности центров кристаллизации и блокируют рост кристаллов. Кроме того, они размягчают застарелые известковые образования и ржавчину, которые впоследствии приобретают коллоидную форму и удаляются. В процессе мембранного разделения комплексон полностью задерживается мембраной обратного осмоса и выводится с концентратом. Во многих случаях ингибиторы позволяют отказаться от использования умягчителей воды, фильтров-обезжелезивателей и угольных фильтров.

Ингибиторы могут быть как достаточно широкого спектра действия, так и избирательно наиболее эффективными к тем или иным видам осадкообразующих веществ. При увеличении концентрации осадкообразующих веществ в исходной воде доза ингибитора тоже должна расти. Однако следует понимать, что этот рост допустим только до некоторого предела и дальнейшее повышение дозы ингибитора не приведет к желаемому результату, а в отдельных случаях может даже ухудшить ситуацию.

Требуемая доза ингибитора зависит не только от концентрации осадкообразующих веществ в исходной воде, но и от температуры, рН, общего химического состава воды, конверсии установки водоподготовки. При этом для разных осадкообразующих веществ эти зависимости существенно различаются. Для некоторых из них, например железа и кальция, дозу ингибитора можно рассчитывать отдельно по каждому виду примесей. Полная доза находится при этом суммированием доз по отдельным примесям. Для других примесей, например кремневки и солей жесткости, такая процедура не подходит. Нельзя рассчитать отдельно дозу по кремневке и отдельно по кальцию, а затем их просуммировать: конечный результат получится неверным. Содержание кремневки и кальция при расчетах с помощью компьютерной программы необходимо задавать одновременно. На рис. 4.1. приведены графики зависимости необходимой дозы ингибитора «

14

Genesys » от концентрации примесей кальция и железа при некоторых реальных условиях, рассчитанных с помощью компьютерной программы Membrane Master III.

Рисунок 4.1. Зависимость дозы ингибитора от концентрации примеси железа

Производством ингибиторов занимается ряд фирм, например « Genesys International » (Великобритания), « Osmodes » (Германия), « Jurby Soft » (США), « Rohm and Haas » (США) и др. Авторы, которые разработали программу Membrane Master III, предпочитают в своей практике использовать ингибиторы марки « Genesys », в том числе и по той немаловажной причине, что для этих ингибиторов имеется разработанная компанией удобная и надежная компьютерная программа Membrane Master III для подбора типа ингибитора и его дозы.

Содержание и молекулярный состав солей жесткости различается в зависимости от происхождения воды. Поэтому антискалант на осмос подбирают исходя из результатов лабораторных анализов. Ингибиторы осадкообразования поразному взаимодействуют с карбонатными и сульфатными анионами, различаются по степени взаимодействия с ионами металлов. Один из параметров, на который стоит обратить внимание, - это наличие железа в ионной и коллоидной форме. Оно снижает эффективность многих ингибиторов, например, соединений полиакриловой кислоты.

- Расчет дозы антискаланта для обратного осмоса

При расчете дозировки ингибиторов осадкообразования для систем обратного осмоса необходимо учитывать следующие параметры:

•общее солесодержание исходной воды;

•концентрация солей жесткости;

•значение pH;

•концентрация Fe2+;

Например, при использовании в качестве антискаланта 1- гидроксиэтилидендифосфоновой кислоты (ОЭДФ) для воды с TDS менее 400 мг/л и жесткости менее 7 мг-экв/л эффективная его концентрация составляет 2 г/л. Но при увеличении жесткости в 1,5 раза (до 10,5 мг-экв/л) дозировка реагента повышается в

5 раз (до 10 г/л).

16

соль, равная 584 кДЖ/моль;

Zm – валентность иона с меньшей теплотой гидратации, равная 1.

Ниже представлены характеристики ацетатцеллюлозных мембран для обратного осмоса, выпускаемых в РФ (характеристики установлены при перепаде рабочего давления через мембрану р = 6 МПа и рабочей температуре t = 20 °С; в качестве удельной производительности по воде указаны средние значения за длительный период эксплуатации; значения констант а и b отвечают размерности Н в кДж/моль):

Таблица 5.1.1. Характеристики мембран для обратного осмоса

Рассчитываем истинную селективность для мембраны МГА-100:

584

lg(1 − и) = 6,7 − 3,215 ∙ lg ( 1 ) = 3,82

1 − и = 0,0066и = 0,993

Аналогичным образом определяется истинная селективность для остальных мембран. Получим:

Считая, что в первом приближении наблюдаемая селективность равна истинной, определяем среднюю концентрацию х2 растворенного вещества в пермеате:

Расчет начнем с наиболее производительной мембраны МГА-80:

Находим расход фильтрата Lф:

1

ф = (1 − К− ),кг/с (7)

1

ф = 1,15 (1 − 4−0,814) = 0,94кг/с

0,94 ∙ 0,0028= 1,15 ∙ 0,008 ∙ 100% = 28,6%

Полученное значение больше допустимого (10%), поэтому делаем перерасчет для следующей по удельной производительности мембране – МГА-90:

Это значение находится в пределах допустимого, поэтому выбираем для дальнейших расчетов мембрану МГА-90, имеющую селективность поCaCl2φи=0,945 и удельную производительность по водеG0=3,0·10-3кг/(м2·с).

Проницаемость на входе разделяемого раствора в аппарат и на выходе из аппарата соответственно равна:

где G0 - удельная производительность (проницаемость) мембраны;

Δπн и Δπк - осмотическое давление в объеме разделяемого раствора на входе и выходе из аппарата.

Определяем рабочую поверхность мембран:

18

= 2,25∙100,885−3 = 3940 м2

-Определение основных размеров мембранного модуля

Основные характеристики выбранного аппарата:

•Длина рулонного модуля lм=0,90 м

•Длина пакета lп=0,95 м

•Ширина пакета bп=0,83 м

•Высота напорного канала, равная толщине сетки сепаратора δс=5·10-4 м

•Толщина двух мембран с расположенным между ними дренажным слоем δп=0,5-1,5 мм. Примем δп=1 мм

•Число элементов в модуле nэ=10

Рабочая повepхность мембран в данном элементе составит:

м = 1,315 ∙ 10 = 13,15 м2

Сечение аппарата, по которому разделяемая смесь:

Сечение аппарата, занятое мембранными и дренажными слоями:

Общее сечение модуля находят с учетом 10 %-ного запаса на конструктивные элементы, термоотводящие трубки и т.д.:

19

Внутренний диаметр аппарата:

= √4 ∙ 7,42510−3/3,14 = 0,097м≈ 0,1 м

Общее число модулей в мембранной установке:

В результате расчета в рамках курсового проекта была подобрана мембрана типа МНА-90, имеющая селективность φи=0,945 и удельную производительность по водеG0=3,0·10-3кг/(м2·с). Рабочая поверхность мембран в одном модуле м = 13,15м2, внутренний диаметр аппарата = 0,097м ≈ 0,1 м

20

2.МЕТОДЫ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

2.1.Методы повышения эффективности механической очистки сточных вод

2.1.1.Интенсификация первичного осветления сточных вод

В получивших распространение первичных отстойниках задерживается обычно 40 - 50 %

взвешенных веществ, содержащихся в сточных водах. Вместе с тем при начальной концентрации взвешенных веществ не менее 300-400 мг/л, характерных для режима экономного водопотребления, необходимый эффект осветления может достигать 70-75 %. В противном случае неизбежен повышенный прирост избыточного активного ила в аэротенках, имеющего большой фактический объем.

Т.к. Сех должна быть не более 150 мг/л, то в ряде случаев для обеспечения требуемой эффективности первичного осветления необходимо интенсифицировать процесс осаждения взвешенных веществ.

Интенсификация работы первичных отстойников может осуществляться несколькими способами:

-Совершенствование существующих конструкций отстойников в результате реконструкции водораспределительных и водосборных устройств, что позволяет улучшить гидродинамический режим отстойников.

-Предварительная аэрация сточных вод в сочетании с биокоагуляцией.

-Оборудование существующих отстойников тонкослойными блоками.

-Интенсификация процесса отстаивания благодаря применению различных реагентов (коагулянтов).

Преаэрация и биокоагуляция

Позволяет увеличить эффект осветления в первичных отстойниках на 15-20% и снизить БПК на 10-15%.

Предварительная кратковременная аэрация сточных вод производится в канале, подводящем воду к отстойникам, или в специальных сооружениях - преаэраторах (Т = 10-30 мин).

В процессе аэрации происходит флокуляция и коагуляция частиц нерастворенных примесей сточных вод. В результате эти частицы изменяют свою гидравлическую крупность и быстрее оседают при последующем отстаивании.

Преаэраторы могут быть отдельно стоящими сооружениями или конструктивно соединяться с первичными отстойниками.

Простая аэрация малоэффективна (улучшает работу отстойников на 5-8 %). При подаче в преаэратор активного ила процесс называется биокоагуляцией. Активный ил аэротенков выполняет роль естественного биофлокулянта. В них можно направить до 50 % избыточного активного ила (или 100% выносимой биопленки после биофильтров). Эффект осветления сточных вод повышается до 70-75 %, а БПК снижается на 40-45 %. Биофлокуляторы чаще всего встраиваются в вертикальные и радиальные отстойники).