Очистка сточных вод с помощью мембранных фильтров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

"Очистка сточных вод с помощью мембранных фильтров"

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор литературы по очистке сточных вод с помощью мембранных фильтров

1.1 Сточные воды и их классификации

1.2 Методы очистки сточных вод

1.3 Разработка и обоснование технологических схем очистки

1.4 Способы и сооружения механической очистки сточных вод

1.5 Физико-химические основы процессов

1.6 Влияние внешних факторов на процессы разделения

1.7 Аппаратура для обратного осмоса и ультрафильтрации

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Природная вода - не только среда обитания животных и растений, но и источник водоснабжения и транспортное средство. Круговорот воды в природе создает необходимые условия для жизни человечества на Земле. Роль воды в жизни нашей планеты удивительна и, как ни странно, раскрыта ещё не до конца. Большая часть (70,8%) поверхности земли покрыта океанами и морями. Но человек, как правило, не может использовать всю эту воду в своих целях, так как океан - это не просто вода, а достаточно солёная вода. Морские воды составляют 96,5% общего объёма, а на долю пресных вод приходится лишь около 3,5%, но человечество не может пользоваться даже этим малым количеством воды в полной мере. Из него менее одного процента находится в жидком состоянии.

Рост городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства, значительное расширение площадей орошаемых земель, улучшение культурно-бытовых условий и ряд других факторов все больше усложняет проблемы обеспечения водой.

Потребности в воде огромны и ежегодно возрастают. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения составляет 3300-3500 км 3. При этом 70% всего водопотребления используется в сельском хозяйстве.

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 [9].

Состояние водных ресурсов, на сегодняшний день, вызывает тревогу. Дело в том, что в водоёмы попадают огромное количество различных, не свойственных им, химических веществ, которые ухудшают их качество. Основным источником загрязнения окружающей природной среды являются промышленные предприятия, теплоэлектростанции и транспорт.

В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает медленно. Пока промышленно-бытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В наше время в связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их. Переход на новые технологии позволит уменьшить выбросы загрязнений. Общие правила заключаются в том, чтоб предотвратить загрязнения. Для этого в промышленности применяются системы очистки сточных вод и газоулавливающие установки, на выхлопных трубах автомобилей устанавливаются специальные фильтры.

Целью данной курсовой работы является подробное рассмотрение очистки сточных вод с помощью мембранных фильтров, виды мембранных фильтров, их различия, преимущества и недостатки, а также их строение, аппаратура и влияние внешних факторов на работу фильтров.

1. Аналитический обзор литературы по очистке сточных вод с помощью мембранных фильтров

1.1 Сточные воды и их классификации

Сточные воды - это воды, бывшие в бытовом, производственном или сельскохозяйственном употреблении, а также прошедшие через какую-либо загрязненную территорию.

Сточные воды разнообразны по составу и, следовательно, по свойствам. По своей природе загрязнения сточных вод подразделяются:

- органические;

- минеральные;

- биологические.

1) Органические загрязнения - это примеси растительного и животного происхождения.

а) Растительные загрязнения - это различные остатки плодов, растений и овощей, а также бумага, масла растительные и т.д., характеризующиеся повышенным содержанием углерода.

б) К животным загрязнениям можно отнести различные человеческие и животные физиологические выделения, остатки органической ткани, клейкие вещества и т.д., для которых характерно высокое содержание азота.

2) Минеральные загрязнения - это кварцевый песок, глина, щелочи, минеральные кислоты и их соли, минеральные масла и т. д.

3) Биологические и бактериальные загрязнения - это различные микроорганизмы: дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли и бактерии, в том числе болезнетворные - возбудители брюшного тифа, паратифа, дизентерии и др. мембранный фильтр очистной

Такие загрязнения могут быть характерны не только для бытовых сточных вод, но и для части промышленных стоков, например - отходов мясокомбинатов, скотобоен и т.д. Несмотря на то, что химический состав данных загрязнений является органическим, создаваемая ими при поступлении в водоемы санитарная опасность требует их выделения в отдельную категорию.

Все примеси сточных вод, независимо от их происхождения, разделяют на четыре группы в соответствии с размером частиц.

К первой группе примесей относят нерастворимые в воде грубодисперсные примеси. Нерастворимыми могут быть примеси органической или неорганической природы. К этой группе относят микроорганизмы (простейшие, водоросли, грибы), бактерии и яйца гельминтов. Эти примеси образуют с водой неустойчивые системы. При определенных условиях они могут выпадать в осадок или всплывать на поверхность воды. Значительная часть загрязнений этой группы может быть выделена из воды в результате гравитационного осаждения.

Вторую группу примесей составляют вещества коллоидной степени дисперсности с размером частиц менее 10-6 см. Гидрофильные и гидрофобные коллоидные примеси этой группы образуют с водой системы с особыми молекулярно-кинетическими свойствами. К этой группе относятся и высокомолекулярные соединения, так как их свойства сходны с коллоидными системами. В зависимости от физических условий примеси этой группы способны изменять свое агрегатное состояние. Малый размер их частиц затрудняет осаждение под действием сил тяжести. При разрушении агрегативной устойчивости примеси выпадают в осадок.

К третьей группе относят примеси с размером частиц менее 10-7 см. Они имеют молекулярную степень дисперсности. При их взаимодействии с водой образуются растворы. Для очистки сточных вод от примесей третьей группы применяют биологические и физико-химические методы.

Примеси четвертой группы имеют размер частиц менее 10-8 см, что соответствует ионной степени дисперсности. Это растворы кислот, солей и оснований. Некоторые из них, в частности аммонийные соли и фосфаты, частично удаляются из воды в процессе биологической очистки. Однако технология очистки бытовых сточных вод (полная биологическая очистка) не позволяет изменить солесодержание воды. Для снижения концентрации солей используют следующие физико-химические методы очистки: ионный обмен, электродиализ и т. д. [1].

Различают три основные категории сточных вод в зависимости от их происхождения:

1) хозяйственно-бытовые;

2) производственные;

3) атмосферные.

Хозяйственно-бытовые сточные воды поступают в водоотводящую сеть от жилых домов, бытовых помещений промышленных предприятий, комбинатов общественного питания и лечебных учреждений. В составе таких вод различают фекальные сточные воды и хозяйственные, загрязненные разными хозяйственными отбросами, моющими средствами. Хозяйственно-бытовые сточные воды всегда содержат большое количество микроорганизмов, которые являются продуктами жизнедеятельности человека, среди которых могут быть и патогенные. Особенностью хозяйственно-бытовых сточных вод является относительное постоянство их состава. Основная часть органических загрязнений таких вод представлена белками, жирами, углеводами и продуктами их разложения. Неорганические примеси составляют частицы кварцевого песка, глины, соли, образующиеся в процессе жизнедеятельности человека. К последним относят фосфаты, гидрокарбонаты, аммонийные соли (продукт гидролиза мочевины). Из общей массы загрязнений бытовых сточных вод на долю органических веществ приходится 45--58 %.

Производственные сточные воды образуются в результате технологических процессов. Качество сточных вод и концентрация загрязняющих веществ определяются видом промышленного производства и исходного сырья, режимами технологических процессов. Например, на металлообрабатывающих предприятиях производственные сточные воды загрязнены минеральными веществами, пищевая промышленность дает загрязнения органическими примесями. Большинство предприятий имеют загрязнения сточных вод как минеральные, так и органические, в различных соотношениях. Концентрация загрязнений сточных вод различных предприятий неодинакова. Она колеблется в весьма широких пределах в зависимости от расхода воды на единицу продукции, совершенства технологического процесса и производственного оборудования. Концентрация загрязнений в производственных сточных водах может сильно колебаться во времени и зависит от хода технологического процесса в отдельных цехах или на предприятии в целом. Неравномерность притока сточных вод и их концентрации во всех случаях ухудшает работу очистных сооружений и усложняет эксплуатацию.

Атмосферные сточные воды образуются в результате выпадения осадков. К этой категории сточных вод относят талые воды, а также воды от поливки улиц. В атмосферных водах наблюдается высокая концентрация кварцевого песка, глинистых частиц, мусора и нефтепродуктов, смываемых с улиц города. Загрязнение территории промышленных предприятий приводит к появлению в ливневых водах примесей, характерных для данного производства. Отличительной особенностью ливневого стока является его эпизодичность и резко выраженная неравномерность по расходу и концентрациям загрязнений. В зависимости от гидрогеологических условий местности, характера производственных процессов в данном регионе, расхода воды на хозяйственно-бытовые и производственные цели выбирается та или иная система водоотведения и, соответственно, схема водоотводящей сети. Загрязнения хозяйственно-бытовых и производственных стоков влияют на технологию очистки воды и на экологическую ситуацию в данном районе [3, 11].

1.2 Методы очистки сточных вод

Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, физико-химические и биохимические.

В процессе очистки сточных вод образуются осадки, которые подвергаются обезвреживанию, обеззараживанию, обезвоживанию, сушке. Если по условиям сброса сточных вод в водоем требуется более высокая степень очистки, то после сооружений полной биологической очистки сточных вод устраивают сооружения глубокой очистки. В соответствии с "Водным кодексом" [2], сточные воды после очистки перед сбросом в водоем подвергают обеззараживанию с целью уничтожения патогенных микроорганизмов.

Сооружения механической очистки сточных вод предназначены для задержания нерастворенных примесей. К ним относятся:

- решетки;

- сита;

- песколовки;

- отстойники;

- фильтры различных конструкций.

Решетки и сита предназначены для задержания крупных загрязнений органического и минерального происхождения. Песколовки служат для выделения примесей минерального состава, главным образом песка. Отстойники задерживают оседающие и плавающие загрязнения сточных вод.

Сооружения механической очистки сточных вод являются предварительной стадией перед биологической очисткой. При механической очистке городских сточных вод удается задержать до 60 % нерастворенных загрязнений.

Физико-химические методы очистки городских сточных вод с учетом технико-экономических показателей используют весьма редко. Эти методы в основном применяют для очистки производственных сточных вод. К методам физико-химической очистки производственных сточных вод относятся реагентная очистка, сорбция, экстракция, эвапорация, дегазация, ионный обмен, озонирование, электрофлотация, хлорирование, электродиализ и др.

Биологические методы очистки сточных вод основаны на жизнедеятельности микроорганизмов, которые минерализуют растворенные органические соединения, являющиеся для микроорганизмов источниками питания. Сооружения биологической очистки условно могут быть разделены на два вида. К первому виду относятся сооружения, в которых процесс биологической очистки протекает в условиях, близких к естественным (поля фильтрации и биологические пруды). В сооружениях второго вида аналогичная очистка осуществляется в искусственно созданных условиях - в аэротенках и биофильтрах.

Аэротенк - сооружение для биохимического окисления загрязнений сточных вод при помощи микроорганизмов активного ила и кислорода воздуха. На I ступени установлены аэротенки-смесители. Аэротенки-смесители характеризуются равномерной подачей по длине сооружения исходной сточной воды и активного ила и равномерным отводом иловой смеси. Полное смешение в них сточных вод с иловой смесью обеспечивает выравнивание концентраций ила и скоростей процесса биохимического окисления, поэтому аэротенки-смесители более приспособлены для очистки концентрированных производственных сточных вод (БПКполн. до 1000 мг/л) при резких колебаниях их расхода, состава и количества загрязнений [14].

Сущность процессов, протекающих в биофильтре, такова, на поверхности зерен загрузки фильтра сорбируются нерастворенные и коллоидные загрязнения, образуя биологическую пленку, заселенную микроорганизмами. Попадая на эту пленку, растворенные загрязнения сточных вод окисляются микроорганизмами, отмершая пленка смывается сточной жидкостью и выносится из тела биофильтра [13].

Глубокая очистка сточных вод может потребоваться, если в сточной воде после полной биологической очистки перед сбросом в водоем необходимо снизить концентрацию взвешенных веществ, величину показателей БПК, ХПК и др. При глубокой очистке сточных вод, главным образом от взвешенных веществ, используются фильтры различных конструкций. Для глубокой очистки от растворенных органических веществ применяют сорбционные, биосорбционные, озонаторные и другие установки. Глубокая очистка сточных вод от соединений азота и фосфора может осуществляться физико-химическими и биологическими методами.

Дезинфекция сточных вод является заключительным этапом их обработки перед сбросом в водоем. Цель дезинфекции - уничтожение патогенных микроорганизмов, содержащихся в сточной воде. Наибольшее распространение получил способ дезинфекции путем введения в воду газообразного хлора. Возможно обеззараживание сточных вод озоном, используются бактерицидные ультрафиолетовые лампы.

Обработка осадков сточных вод, образующихся в процессе очистки, заключается в снижении их влажности и уменьшении объема; в процессе обработки осадки обеззараживаются.

Загрязнения, задерживаемые решетками, вывозят с территорий станций очистки либо дробятся и обрабатываются совместно с осадками из отстойников. Песок из песколовок обезвоживается на песковых площадках и также вывозится или отмывается от органических загрязнений, подсушивается и используется в планировочных работах. Осадок из первичных отстойников и уплотненный осадок из вторичных отстойников (активный ил) направляются в метантенки - герметичные резервуары, в которых под действием анаэробных микроорганизмов минерализуются органические вещества. Вместо метантенков может применяться метод анаэробной стабилизации.

Дальнейшее снижение влажности осадков может достигаться в аппаратах механического действия - на вакуум-фильтрах, фильтр-прессах, центрифугах. Иловые площадки устраиваются для обезвоживания в естественных условиях сброженного в метантенках осадка [3, 6].

1.3 Разработка и обоснование технологических схем очистки

Выбор методов очистки сточных вод и определение состава сооружений представляют собой сложную технико-экономическую задачу и зависят от многих факторов: расхода сточных вод и мощности водоема; расчета необходимой степени очистки; рельефа местности; характера грунтов; энергетических затрат и др.

Расчет необходимой степени очистки показывает, какой эффект задержания загрязняющих веществ необходимо достичь на очистных сооружениях. Возможен вариант, что необходимый эффект очистки обеспечивается только сооружениями механической очистки. Такие сооружения могут разрабатываться для поселков городского типа, имеющих водоотводящую систему и расположенных на многоводных реках, при расходе сточных вод не более 10 тыс. м 3/сут. Сооружения биологической очистки обеспечивают снижение показателей загрязнений по взвешенным веществам и по БПК 5 до 15-- 20 мг/л.

В технологических схемах биологической очистки применяются биофильтры при расходах сточных вод 10--20 тыс. м 3/сут, аэротенки - при расходах от 50 тыс. до 2--3 млн м 3/сут. Если расчет необходимой степени очистки сточных вод определяет более высокий эффект, чем могут обеспечить сооружения биологической очистки, то возникает необходимость глубокой очистки сточных вод. Технология обработки осадков, образующихся в процессе очистки, определяется в зависимости от их свойств, объемов, наличия площадей [13].

1.4 Способы и сооружения механической очистки сточных вод

В городских сточных водах содержится большое количество нерастворимых и малорастворимых веществ с размером частиц более 0,1 мкм, которые образуют с водой дисперсные системы - суспензии и эмульсии. Такие системы являются кинетически неустойчивыми и в определенных условиях способны разрушаться - выпадать в осадок или всплывать на поверхность воды.

Механическая очистка - это выделение из сточных вод находящихся в них нерастворенных грубодисперсных примесей, имеющих минеральную и органическую природу. Для этого применяются следующие методы:

- процеживание;

-- задержание наиболее крупных загрязнений и частично взвешенных веществ на решетках и ситах;

- отстаивание;

-- выделение из сточных вод взвешенных веществ под действием силы тяжести на песколовках (для выделения минеральных примесей), отстойниках (для задержания более мелких оседающих и всплывающих примесей), а также нефтеловушках, маслоуловителях и смолоуловителях. Разновидностью этого метода является центробежное отстаивание, используемое в гидроциклонах и центрифугах;

- фильтрование - задержание очень мелкой суспензии во взвешенном состоянии на сетчатых и зернистых фильтрах;

При неравномерном образовании производственных сточных вод перед подачей на очистные сооружения их усредняют по расходу и концентрации в усреднителях различной конструкции.

Метод отстаивания вместе со сбраживанием осадков используется в комбинированных сооружениях для очистки небольших количеств сточной воды - септиках, двухъярусных отстойниках и осветлителях перегнивателях.

В настоящее время как самостоятельный метод механическую очистку применяют редко. Такая возможность существует, если при использовании только механической очистки по условиям сброса в водоем обеспечивается необходимое качество воды (для производственных сточных вод - повторный возврат в технологический процесс). В основном же механическую очистку используют как предварительный этап перед биологической очисткой или в качестве доочистки стоков [5].

1.5 Физико-химические основы процессов

Мембранная очистка сточных вод, как и очистка воды от органики, основана на использовании специальных полупроницаемых мембран, перегородок, отделяющих фильтрат от очищаемого раствора. Определенные компоненты жидкости проходят через перегородку, в то время как остальные соединения остаются по другую сторону мембраны.

Виды мембранной очистки сточных вод

Мембранная очистка сточных вод может осуществляться несколькими способами.

· Обратный осмос - это тип мембранной очистки сточных вод, в ходе которого к раствору прикладывается давление, превышающее его осмотическое давление, и растворитель перетекает через мембрану.

· Ультрафильтрация - это вид мембранной очистки сточных вод, при котором перетекание осуществляется за счет давления и различия молекулярных масс или молекулярных размеров компонентов разделяемого раствора.

· Микрофильтрация - это мембранная очистка сточных вод, в ходе которой взвеси и коллоидные растворы разделяются под действием давления.

· Диализ - это мембранная очистка сточных вод, основанный на различии скорости диффузии различных веществ, проходящих через мембрану, для осуществления которой необходим градиент концентрации.

· Электродиализ - это мембранная очистка сточных вод, при которой ионы растворенного в воде вещества проходят через мембрану под действием электрического тока.

В любом из этих процессов водный раствор приводится в соприкосновение с полупроницаемой мембраной с одной ее стороны. Вследствие особых свойств полупроницаемых мембран прошедшая через них смесь обогащается одним из компонентов, иногда она вообще не содержит примесей компонентов, задерживаемых мембраной [7].

Для очистки воды, прежде всего, могут быть использованы обратный осмос и ультрафильтрация, которые заключаются в фильтровании растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ. При обратном осмосе отделяются частицы (гидратированные ионы, реже молекулы), размеры которых не превышают размеры молекул растворителя (молекулярная масса меньше 500). При ультрафильтрации размер отдельных частиц на порядок больше, как правило, это высокомолекулярные соединения с молекулярной массой более 500. Давление, необходимое для проведения обратного осмоса (1--10 МПа), значительно больше, чем для ультрафильтрации (0,1--0,7 МПа), это связано с тем, что осмотические давления высокомолекулярных соединений малы по сравнению с осмотическими давлениями солевых растворов. Внешне обратный осмос и ультрафильтрация аналогичны фильтрованию, однако при фильтровании продукт откладывается в виде осадка на фильтре, а при обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом. Обратный осмос применяют для обессоливания воды в системах водоподготовки, в системах локальной обработки сточных вод при небольших их расходах для концентрирования и выделения относительно ценных компонентов и для очистки природных и сточных вод.

В основе этих способов лежит явление осмоса - самопроизвольного перехода растворителя (воды) в раствор через полупроницаемую мембрану (рисунок 1)



Р < H P = H P > H

Рисунок 1 - Схемы осмоса (Н - осмотическое давление; Р - рабочее давление): а - прямой осмос; б - осмотическое равновесие; в - обратный осмос; 1 - чистая вода; 2 - мембрана; 3 - раствор

Наложение давления на систему, где мембрана разделяет два раствора, создает поле сил, порождающих потоки через мембрану (фильтрацию). Явление задержки растворенных молекул и ионов электролита при фильтрации через мембрану называется гиперфильтрацией или обратным осмосом (поскольку давление направлено навстречу возникающему осмотическому потоку).

Обратный осмос - процесс фильтрования (концентрирования) растворов под давлением через микропористые мембраны с очень тонкими порами (радиус r ~ 10-7 см). Давление H в растворе, заставляющее растворитель переходить через мембрану, называют осмотическим давлением. Величина осмотического давления H (Па) для растворов определяется по уравнению Вант-Гоффа:

H=RЕTЕc,

где R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура раствора, К; с - молярная концентрация растворенного вещества.

Чем выше концентрация подлежащего очистке раствора (сточной воды), тем выше перепад осмотических давлений и тем больше гидродинамическое давление, необходимое для реализации очистки воды.

Кроме сопротивления мембраны рм надо преодолеть осмотическое давление р, направленное в другую сторону. Таким образом, перепад давления при обратном осмосе равен

Создав над раствором давление pм равное осмотическому, осмос прекращается и наступает состояние равновесия. Если же над раствором создать избыточное давление р, превышающее осмотическое давление H на величину Др, переход растворителя будет осуществляться в обратном направлении.

Механизм обратного осмоса состоит в том, что мембраны собирают воду, которая в поверхностном слое не обладает растворяющей способностью, и через поры мембраны будет проходить только чистая вода, несмотря на то, что размер многих ионов загрязнителей меньше, чем размер молекул воды. Это объясняется явлением адсорбции молекул воды у поверхности мембраны. Механизм гиперфильтрации при обратном осмосе через пористую мембрану объясняется тем, что поры такой мембраны достаточно велики, чтобы пропускать молекулы растворителя, но слишком малы, чтобы пропускать молекулы растворенных веществ. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеров молекул растворителя, при этом мембраной задерживаются как высокомолекулярные вещества, так и большая часть низкомолекулярных веществ, а проходит через поры мембраны только почти чистый растворитель [6].

Обратный осмос принципиально отличается от обычного фильтрования. Если при обычном фильтровании образуется поток фильтрата в виде очищенного раствора (воды) и осадок откладывается на фильтровальной перегородке, то при обратном осмосе образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом. Механизм проницаемости при обратном осмосе значительно сложнее. При фильтрации водных растворов в порах лиофильной мембраны имеется слой связанной воды, которая уменьшает размеры пор и препятствует прохождению сильно гидратированных ионов. В то же время лиофильность мембраны способствует прохождению молекул воды.

Ультрафильтрация предназначена для концентрирования лиозолей при очистке сточных вод, растворов полимеров и их очистки от низкомолекулярных веществ. В процессе ультрафильтрации высокомолекулярные вещества задерживаются мембраной, так как размер их молекул больше, чем размер пор, или вследствие большого трения их молекул о стенки пор мембраны, а низкомолекулярные вещества и растворитель свободно проходят через ее поры.

От обычного фильтрования ультрафильтрация отличается отделением частиц меньших размеров и размером пор мембраны, которые при ультрафильтрации не должны превышать размеров частиц золя. Кроме того, в результате этого процесса получают более концентрированный лиозоль (суспензию), а не осадок, который образуется при обычном фильтровании. Перепады давлений при ультрафильтрации достигают 103 кПа и выше. Механизм ультрафильтрации близок к обычному фильтрованию.

На рисунке 2 приведена схема применения процессов ультрафильтрации и обратного осмоса для разделения органических и неорганических веществ. Границы применения этих процессов по размерам отделяемых веществ: обратный осмос - dч= 0,0001...0,001 мкм; ультрафильтрация - dч= 0,001...0,02 мкм. Давление, необходимое для проведения процесса обратного осмоса, 6... 10 МПа, для процесса ультрафильтрации - 0,1...0,5 М Па.



Рисунок 2 - Схема разделения органических и неорганических веществ

Эффективность процессов обратного осмоса и ультрафильтрации зависит от свойств мембран. В каждом методе применяют соответствующие мембраны. Различия в прохождении веществ через мембраны могут быть связаны как с равновесными, так и с кинетическими свойствами. По этим признакам мембраны подразделяют на фильтрационные (полупроницаемые) и диффузионные. Фильтрационные мембраны способны разделять вещества в равновесных условиях, размер их пор соизмерим с размерами проникающих частиц или молекул. Диффузионные мембраны обычно применяют для разделения газов методом газовой диффузии. Фильтрационные мембраны подразделяют на макро-, переходно- и микропористые (подобно адсорбентам). Микропористые мембраны могут быть нейтральными или ионитовыми.

Мембраны готовят из полимерных пленок, пористого стекла, керамики, металлической фольги, ионообменных материалов. Наибольшее применение получили мембраны на основе различных полимеров: ацетата целлюлозы, поливинилхлорида, полистирола, полиамидов и др.

Мембраны должны обладать высокой проницаемостью (удельной производительностью), хорошей селективностью (разделяющей способностью), стойкостью к действию среды, постоянством характеристик, достаточной механической прочностью.

Основными характеристиками процессов ультрафильтрации и обратного осмоса являются проницаемость и селективность мембран. Проницаемость (или удельная производительность) выражается количеством V фильтрата, отнесенным к единице времени t и единице поверхности S мембраны:

,

где k1 - коэффициент, зависящий от проницаемости мембраны; Др - разность давлений раствора (воды) до и после мембраны; Др 0 - разность осмотических давлений.

Таким образом, скорость обратного осмоса прямо пропорциональна эффективному давлению (разности между приложенным давлением и осмотическим). Эффективное давление значительно превосходит осмотическое. Величина осмотического давления составляет: для соли Na2SO4 - 43 кПа, а для NaHCO3 - 89 кПа. Селективность определяют (в %) по следующей формуле:

,

где с 1 и с 2 - концентрация растворенного вещества или дисперсной фазы соответственно в исходном растворе (сточной воде) и фильтрате (очищенной воде).

При 100%-й селективности мембрана пропускает только растворитель (очищенную воду).

Пористость в мембраны можно выразить соотношением

где dcр - средний диаметр пор, м; n - число пор на 1 м 2 площади мембраны.

В процессе очистки некоторое количество растворимого вещества проходит через мембрану вместе с водой. Этот проскок S практически не зависит от давления:

,

где k2 - константа мембраны.

Природа растворенного вещества оказывает влияние на селективность. При одинаковой молекулярной массе неорганические вещества задерживаются на мембране лучше, чем органические. С повышением давления удельная производительность мембраны увеличивается. Однако при высоких давлениях происходит уплотнение материала мембран, что вызывает снижение проницаемости, поэтому для каждого вида мембран устанавливают максимальное рабочее давление. Сростом температуры увеличивается проницаемость мембран, но при этом повышается осмотическое давление, которое уменьшает проницаемость; начинаются усадка и стягивание пор мембраны, что также снижает проницаемость; возрастает скорость гидролиза, сокращая срок службы мембран. Например, ацетатцеллюлозные мембраны при 50°С разрушаются, поэтому необходимо работать при температуре 20...30°С.

Увеличение концентрации раствора приводит к росту осмотического давления растворителя, повышению вязкости раствора и росту концентрации поляризации, т.е. к снижению проницаемости и селективности. В тоже время проницаемость и селективность увеличиваются с повышением давления до определенного предела.

Так как через мембрану преимущественно проходит растворитель, то у ее поверхности значительно увеличивается концентрация растворенных или диспергированных веществ. Это явление называется концентрационной поляризацией. Оно может привести к снижению скорости процесса переноса, к осаждению растворенного вещества и коагуляции дисперсной фазы [7].

Наиболее перспективны обратный осмос и ультрафильтрация для обсссоливания воды в системах водоподготовки ТЭЦ и других предприятий, при локальной обработке небольших количеств сточных вод для концентрирования и выделения относительно ценных компонентов и очистки воды. Достоинствами этих методов являются:

- отсутствие фазовых переходов при отделении примесей, что позволяет вести процесс при небольшом расходе энергии;

- возможность проведения процесса при комнатной температуре;

- простота конструкции аппаратуры;

- выделение ценных продуктов;

- одновременная очистка воды от органических, неорганических и бактериальных загрязнений.

Установка включает два основных элемента: устройство для создания давления жидкости (насос) и разделительную ячейку с закрепленными в ней полупроницаемыми мембранами, а в промышленных установках - многосекционный аппарат, обеспечивающий необходимую поверхность (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема установки обратного осмоса: 1 - насос высокого давления; 2 - модуль обратного осмоса; 3 - мембрана; 4 - выпускной клапан

Недостатки методов: повышенное давление в системе, явление концентрационной поляризации (увеличение концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны вследствие преимущественного переноса растворителя через мембрану). Это приводит к уменьшению производительности, степени разделения и срока службы мембраны, а также вызывает необходимость специальных уплотнений аппаратуры. Полупроницаемые мембраны, используемые для проведения обратного осмоса и ультрафильтрации, изготовляют из различных полимерных материалов, пористого стекла, металлической фольги и др. Наибольшее распространение получили мембраны на основе различных полимеров: полиамидов, полиуретанов, полиакрилонитрила, эфиров целлюлозы и др. Применение в практике нашли листовые, трубчатые и в виде полых волокон мембраны из ацетатцеллюлозы и ароматических полиамидов.

Эффективность процесса мембранного разделения зависит от свойств применяемых мембран. Они должны обладать высокой разделяющей способностью (селективностью), большой удельной производительностью (проницаемостью), устойчивостью к среде, неизменностью характеристик при эксплуатации, механической прочностью. Селективность ц (%) определяют по формуле:

где и - концентрации растворенного вещества в исходной сточной воде и фильтрате.

Величину ц называют также коэффициентом солезадержания мембраны или эффективностью разделения.

Проницаемость (удельная производительность) G при данном давлении определяется количеством фильтрата V, получаемого в единицу времени ф, с единицы рабочей поверхности мембраны F:

Селективную проницаемость мембран в процессе ультрафильтрации объясняет чисто ситовой механизм разделения - частицы примесей, имеющие больший размер, чем размеры пор мембраны, через мембрану не проходят, через нее профильтровывается только вода. Для объяснения механизма задержания примесей мембраной в процессе обратного осмоса лучше всего подходит капиллярно-фильтрационная модель селективной проницаемости. Согласно ей ионы растворенных в воде веществ образуют гидратную оболочку, размеры которой вместе с гидратированным ионом, а также наличие в порах мембраны связанной воды определяют причину проходимости через мембрану растворенных веществ. Если диаметр пор мембраны с учетом толщины слоя связанной в мембране воды меньше размера гидратированного иона, то через такие поры будет проходить только вода, что и обуславливает селективность данных мембран. Чем выше гидратирующая способность ионов электролитов, тем больше и прочнее гидратная оболочка ионов, что затрудняет их переход через мембраны [11].

1.6 Влияние внешних факторов на процессы разделения

Основными факторами, влияющими на скорость и селективность процессов обратного осмоса и ультрафильтрации, являются рабочее давление, гидродинамические условия в аппарате, природа и концентрация разделяемого раствора, температура. С повышением давления удельная производительность мембран увеличивается, так как растет движущая сила процесса. Однако при высоких давлениях происходит уплотнение материала мембран, что может вызвать снижение проницаемости. Высокое давление вызывает в полимерном материале мембраны значительные остаточные деформации, влияя на ее структуру особенно сильно в первые часы работы. В течение всего срока службы мембраны наблюдается замедленное, но непрерывное снижение проницаемости именно из-за указанного явления. Концентрация растворенных веществ определяет не только характеристики процесса обратного осмоса и ультрафильтрации, но и саму возможность использования этих методов разделения.

Увеличение концентрации растворенных веществ приводит к повышению осмотического давления раствора, что снижает эффективную движущую силу процесса, возрастанию вязкости раствора, росту концентрационной поляризации. Все это вызывает снижение проницаемости. С увеличением концентрации на поверхности и в порах мембраны уменьшается толщина слоя связанной воды, ослабевают силы взамодействия между ионами и молекулами воды в растворах неорганических веществ, что приводит к снижению селективности. Кроме того, возможно смещение рН раствора в кислую или щелочную среду, что ускоряет гидролиз полимерных мембран, а также вызывает обезвоживание, растворение мембраны, выпадение на ней в осадок малорастворимых солей.

Обратный осмос рекомендуется использовать при концентрациях электролитов, не превышающих для одновалентных солей 5--10 %, для двухвалентных - 10--15 %, для многовалентных - 15--20 %. Для органических веществ указанные пределы несколько выше.

Влияние концентрационной поляризации связано с повышением концентрации растворенного вещества в приграничном слое мембраны. При этом снижается эффективное давление вследствие увеличения осмотического давления раствора, определяемого концентрацией именно в приграничном слое, что приводит как к снижению селективности, так и скорости процесса. Со стороны мембраны, обращенной к раствору, возникают условия, способствующие осаждению на мембране слаборастворимых солей (CaCO3, CaSO4) или высокомолекулярных соединений, что приводит к закупориванию пор мембраны и уменьшению ее эффективной площади. Сокращается срок службы полимерной мембраны, который в значительной мере зависит от концентрации растворенного вещества.

Для уменьшения влияния концентрационной поляризации можно турбулизовать раствор у поверхности мембраны (механическое перемешивание или перекачивание раствора), что нередко приводит к резкому повышению расхода энергии на циркуляцию раствора. Природа растворенного вещества в некоторой степени влияет на селективность и в меньшей степени на проницаемость мембран. Это влияние заключается в следующем:

- неорганические вещества задерживаются мембранами лучше, чем органические с той же молекулярной массой;

- среди родственных соединений, например гомологов, лучше задерживаются вещества с большей молекулярной массой;

- вещества, образующие связи с мембраной, например водородную, задерживаются мембраной тем лучше, чем менее прочна эта связь;

- селективность задержания высокомолекулярных соединений ультрафильтрацией тем больше, чем больше молекулярная масса растворенного вещества.

С ростом температуры уменьшается вязкость и плотность раствора, что способствует росту проницаемости, однако при этом повышается осмотическое давление, которое уменьшает проницаемость. При повышении температуры начинается усадка и стягивание пор мембраны, что также приводит к уменьшению проницаемости. Однако если работать при температурах, близких к комнатным, то практически температура на процесс мембранного разделения влияния не оказывает [8].

1.7 Аппаратура для обратного осмоса и ультрафильтрации

Конструкции аппаратов для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации должны соответствовать следующим требованиям:

- большая поверхность мембран в единице объема;

- простота сборки и монтажа;

- механическая прочность;

- герметичность.

Классификация оборудования по способу укладки мембран (рисунок 2):

1) фильтр-пресс с плоскокамерными фильтрующими элементами;

2) с трубчатыми фильтрующими элементами;

3) с рулонными или спиральными фильтрующими элементами;

4) с мембранами в виде полых волокон.

Рисунок 2 - Аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрации а - фильтр-пресс: 1 - пористые пластины: 2 - мембраны; б - трубчатый фильтрующий элемент: 1 - трубка: 2 - подложка; 3 - мембрана; в - рулонный фильтрующий элемент: 1 - дренажный спой: 2 - мембрана; 3 - трубка для отвода очищенной воды; 4 - сетка-сепаратор; г - элемент с полыми волокнами: 1 - подложка; 2 - шайба с вмонтированными концами волокон; 3 - корпус; 4 - полые волокна

Указанные аппараты обычно собираются из отдельных элементов или модулей, конструкция которых полностью характеризует конструкцию аппарата в целом. Аппараты с плоскокамерными фильтрующими элементами (рисунок 2а) применяется в установках сравнительно небольшой производительности. В этих аппаратах мембраны уложены с двух сторон плоских пористых дренажных пластин, которые расположены на расстоянии 0,5--5,0 мм друг от друга, образуя межмембранное пространство для потока разделяемого раствора. Пакет фильтрующих элементов зажимается двумя фланцами и стягивается болтами. Сточная вода последовательно проходит через все элементы, концентрируется и удаляется. Прошедший через мембрану фильтрат уходит через дренажные слои в радиальном направлении. Такие аппараты отличаются простотой изготовления, удобством монтажа и эксплуатации, возможностью быстрой замены мембран, но имеют невысокую удельную поверхность мембран (60--300 м 2/м 3 объема аппарата).

Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами (рисунок 2б) состоят из полупроницаемой мембраны и дренажного каркаса, выполненного в виде трубки диаметром 6--30 мм, где мембрана может находиться на ее внутренней или наружной поверхности, а также с обеих сторон. Основным достоинством таких аппаратов является малая концентрационная поляризация и незначительное загрязнение поверхности мембран ввиду высокой скорости потока (0,9--12 м/с). Кроме того, они обладают малой материалоемкостью, незначительным гидравлическим сопротивлением, механической прочностью, простотой конструкции. Основной недостаток - малая удельная рабочая поверхность мембран (200-- 300 м 2/м 3), более сложная их замена.

Аппараты с фильтрующими элементами рулонного типа отличаются большой плотностью упаковки мембран (300--800 м 3/м 5). Каждый рулонный элемент (рисунок 2в) представляет собой прикрепленный к водоотводящей трубке и накрученный на нее пакет, состоящий из двух мембран и расположенных между ними дренажного слоя и сеткисепаратора. Трубка для отвода фильтрата имеет продольные прорези. Исходный раствор движется по межмембранным каналам рулонного фильтрующего элемента в продольном направлении. Проникающий через мембраны фильтрат по спирально расположенному дренажному слою поступает в фильтроотводящую трубку и отводится из аппарата. Рулонные аппараты имеют малую металлоемкость, механизированную сборку.

К недостаткам их относится сложность монтажа и смены мембран, необходимость замены всего пакета при повреждении мембраны, трудность обеспечения герметизации аппарата.

Аппараты с фильтрующими элементами в виде полых полупроницаемых волокон (рисунок 2г) имеют очень высокую плотность укладки мембран в единице объема аппарата - до 20--30 тыс. м 2/м 3. Волокна с наружным диаметром 45--200 мкм, и стенками толщиной 10--50 мкм, способны выдержать необходимое рабочее давление. Фильтрат в этих элементах собирается с наружной поверхности волокон или отводится по капилляру полых волокон. Поэтому такие аппараты не требуют поддерживающих дренажных устройств, что значительно снижает капитальные затраты, упрощает их сборку и эксплуатацию. Они компактны и высокопроизводительны. Недостатки - трудность замены поврежденных волокон, большое сопротивление, необходимость тщательной предварительной очистки от механических примесей.

Аппараты с полыми волокнами выполняют чаще всего в виде кожухотрубчатого теплообменника с линейным (концы закрепляются в двух трубных решетках) или U-образным (с одной решеткой) расположением волокон. Раствор движется вдоль наружной или внутренней поверхности волокон. Концы волокон с помощью эпоксидной смолы и уплотнений закреплены в трубных решетках.

Мембранные установки состоят из большого числа элементарных модулей, которые соединяют либо по параллельной схеме (для увеличения производительности), либо последовательно (для повышения эффективности очистки). Обратноосмотические и ультрафильтрационные установки представляют собой самостоятельно действующие системы, состоящие из мембранных аппаратов и оборудования, обеспечивающего их бесперебойную работу. Установки с мембранными аппаратами можно классифицировать по нескольким признакам. Они могут быть непрерывного и периодического действия, прямоточные и циркуляционные, каждая из которых может быть одно- или многоступенчатой.

Прямоточные установки работают только непрерывно, циркуляционные бывают непрерывными и периодическими. Технологическая схема установки определяется ее назначением и зависит от исходной концентрации растворов, производительности установки и условий ее эксплуатации. На рисунке 3 приведена схема очистки сточных вод гальванических производств на обратноосмотической мембранной установке.

Рисунок 3 - Схема мембранной установки для обработки промывных вод гальванических производств: 1 - гальваническая ванна; 2 - промывная ванна I ступени; 3 - промывная ванна II ступени; 4 - обратноосмотическая установка; 5 - насос высокого давления

Фильтрат после первой ступени мембранной установки возвращается на промывку деталей, выносимых из гальванической ванны, последовательно в промывные ванны II и I ступени. Более загрязненный фильтрат второй ступени мембранной установки смешивается с загрязненной водой, поступающей на установку. Концентрат, последовательно пройдя две ступени обратноосмотической установки, может быть использован, после соответствующей корректировки, для подпитки гальванических ванн. Производительность уже работающих мембранных установок достигает нескольких тысяч кубометров в сутки, запроектированы и строятся установки производительностью сотни тысяч кубометров в сутки.

Экономическая эффективность мембранной обработки водных растворов зависит от капитальных вложений и эксплуатационных затрат, которые являются функцией производительности установки, типа мембранного аппарата вида и концентрации загрязнений и других факторов. Стоимость самих мембран обычно невелика и составляет 1--3 % от общей стоимости установки в зависимости от конструкции аппарата [4, 10, 12].

Заключение

Мембранная очистка сточных вод является одним из важнейших мероприятий в области водоочистки. Очистка сточных вод может производиться разнообразными способами, но наиболее продуктивным на сегодняшний день считается мембранный метод.

Одним из главных преимуществ мембранной очистки сточных вод является решение проблемы оседания отфильтрованного вещества на фильтре, в отличие от очистки воды аэрацией. Подобные явления, свойственные обычной фильтрации, в скорости снижают продуктивность работы очистительной установки, поскольку фильтр попросту забивается, и его пропускная способность резко снижается. Чтобы избежать этого, мембранная очистка сточных вод предусматривает различные способы разделения продуктов в потоке, то есть без оседания вещества на фильтре. Дополнительным преимуществом мембранной очистки сточных вод является то, что данный метод работает даже при температуре окружающей среды, что принципиально при работе с веществами, чувствительными к термическому воздействию.

Но у этого метода есть и свой недостаток - мембранная очистка сточных вод состоит в концентрационной поляризации. Это явление заключается в том, что в непосредственной близи к месту разделения отделяемый компоненты образуют концентрированный слой, который приводит к ухудшению проницаемости и селективности перегородки. Однако эта проблема решаема, и в ходе мембранной очистки сточных вод при турбулизации концентрированного слоя перед плоскостью разделения отфильтрованное вещество быстрее переносится.

Качество мембранной очистки сточных вод зависит от качества мембран. Характеристиками, на которые ориентируются специалисты при установке очистительной системы, являются селективность, химическая стойкость и прочность материала, его проницаемость, а также срок эксплуатации.

Таким образом, мембранная очистка сточных вод является наиболее эффективным методом водоподготовки и может производиться разными способами. Их выбор зависит от специфики каждого конкретного случая.

Список используемой литературы

1 Ветошкин, А.Г. Процессы и аппараты защиты гидросферы: учеб. пособие / А.Г. Ветошкин. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. - 188 с.

2 Водный кодекс Российской Федерации [Электронный ресурс]: от 03.06.2006 № 74-ФЗ (ред. от 25.06.2012). - URL: http://base.consultant.ru (дата обращения: 8.03.2016).

3 Воронов, Ю.В. Водоотведение: учебник / Ю.В. Воронов, Е.В. Алексеев, В.П. Саломеев, Е.А. Пугачев. - Москва: ИНФРА-М, 2007. - 415 с.

4 Воронов, Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод: учебник для вузов / Ю.В. Воронов, С.В. Яковлев. - Москва: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2006. - 704 с.

5 Гудков, А.Г. Биологическая очистка городских сточных вод / А.Г. Гудков. - Вологда: ВоГТУ, 2002. - 127 с.

6 Гудков, А.Г. Механическая очистка сточных вод: учеб. пособие / А.Г. Гудков. - Вологда: ВоГТУ, 2003. - 152 с.

7 Жмур, Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками / Н.С. Жмур. - Москва: АКВАРОС, 2003. - 512 с.

8 Комарова, Л.Ф. Инженерные методы защиты окружающей среды / Л.Ф. Комарова, Л.А. Кормина. - Барнаул, 2000. - 391 с.

9 Родионов, А.И. Техника защиты окружающей среды / А.И. Родионов, В.Н. Клушин, Н.С. Торочешников. - Москва: Химия, 1989. - 512 с.

10 Карманов, А.П. Технология очистки сточных вод [Электронный ресурс]: учебное пособие / А.П. Карманов, И.Н. Полина - Сыктывкар: СЛИ, 2015. - URL: http://lib.sfi.komi.com (дата обращения: 8.03.2016).

11 Родионов, А.И. Технологические процессы экологической безопасности (основы энвайронменталистики) / А.И. Родионов, В.Н. Клушин, В.Г. Систер. - Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, 2000. - 800 с.

12 СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения [Электронный ресурс]. - URL: http://base.consultant.ru (дата обращения: 8.03.2016).

13 Ауланбергенов, А.А. Улучшение качества природных вод и очистка сточных вод: учебное пособие / А.А. Ауланбергенов [и др.] - Алматы: Изд-во "RUAN", 2012. - 188с.

14 Ягафарова, Г.Г. Технологический процесс биохимических очистных сооружений ОАО "Уфанефтехим": электронное учеб. Пособие / Г.Г. Ягафарова, С.В. Леонтьева - Уфа: 2012. - 15с.

Размещено на Allbest.ru

...