CC BY
1
УДК 69
ао1: 10.55287/22275398_2023_3_130
КОНТРОЛЬ ИОННОГО СОСТАВА ПЕРМЕАТА ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ СТОЧНЫХ ВОД МЕТОДОМ ОБРАТНОГО ОСМОСА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ОБЩЕЙ МИНЕРАЛИЗАЦИИ И СНИЖЕНИЯ ЗАТРАТ НА УТИЛИЗАЦИЮ КОНЦЕНТРАТА
А. Г. Первов К. В. Тихонов
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
Ключевые слова
обратный осмос; утилизация концентрата; нанофильтра-ция; низкоселективные мембраны; снижение расхода концентрата; удаление биогенных элементов из сточных вод
Дата поступления в редакцию
14.09.2023
Дата принятия к печати
19.09.2023
Аннотация
Ужесточение нормативных требований к качеству очищенных сточных вод заставляют специалистов искать новые решения для получения качественной воды с пониженным содержанием биогенных элементов. Одним из наиболее перспективных решений является использование обратного осмоса для доочистки сточных вод, прошедших биологическую очистку. Мембраны обратного осмоса задерживают загрязнения в ионном состоянии и кажутся более эффективными, так как не зависят от биологического процесса. Обратный осмос уже эффективно используется для доочистки сточных вод после биологической обработки для улучшения качества воды. Существенным недостатком процесса обратного осмоса является наличие концентрата и необходимость его утилизации. Предлагаемая работа является продолжением исследовательской программы по утилизации потоков
концентрата за счет уменьшения его объема в 100 - 300 раз. Это позволяет нам радикально сократить количество концентрата до величины, не превышающей 0,3 - 0б5 % объема обрабатываемой сточной воды и вывозить его автомобильным транспортом или удалять вместе с осадком. Необходимость удаления из сточной воды одновалентных ионов и снижения их концентрации в 20 - 100 раз (например, иона аммония) требует использования мембран с высокими значениями селективностей, при этом удаление малых количеств аммония приводит к получению очищенной воды с низкими значениями солесодержания и жесткости и высокими значениями общего солесодержания концентрата обеспечивает получение большого количества концентрата с высокими значениями величины общего солесодержания. В данной статье предпринята попытка применить недавно разработанный метод разделения одновалентных и двухвалентных ионов для увеличения значения содержания солей в пермеате (очищенной воды) и увеличения количества солей, сбрасываемых в водные источники. Увеличение общего солесодержания пермеата обеспечивает меньшее значение солесодержания концентрата, что обеспечивает более легкое уменьшение объема концентрата с меньшими затратами.
Введение. Основные проблемы, связанные с использованием метода
обратного осмоса для получения очищенной воды высокого качества
Обратный осмос успешно применяется для очистки и повторного использования сточных вод после биологической очистки для получения качественной воды, соответствующей нормативным требованиям сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения или техническим требованиям. Имеется много информации об использовании обратного осмоса для повторного использования сточных вод [1 - 8]. Во многих случаях представляется целесообразным применение обратного осмоса для достижения необходимого уровня удаления одновалентных ионов (таких как: аммоний), чем применять сложные усовершенствования биологического процесса для удаления биогенных элементов [9 - 13]. Применение обратного осмоса всегда сталкивается с проблемой утилизации концентрата. В большинстве случаев концентрат сбрасывается в окружающую среду или направляется в канализацию. Но для широкого применения этого метода при реконструкции и модернизации традиционных очистных сооружений нет условий для сброса концентрата. Существующие технологии «нулевого сброса» успешно разрабатываются и применяются на энергетических объектах, но имеют ограниченное применение в очистке сточных вод вследствие высоких эксплуатационных расходов [14 - 23]. В предыдущих публикациях авторы продемонстрировали разработанные технологии снижения расхода концентрата в 100 - 200 раз, что обеспечивает возможность его вывоза вместе с обезвоженным осадком, как это обычно происходит при эксплуатации малых и средних объектов [22, 24]. Этот процесс был экспериментально обоснован и прошел апробацию в промышленных условиях [19 - 24]. Представляется целесообразным использовать мембраны обратного осмоса для очистки сточной воды и удаления ионов аммония ( ионов, по которым мембраны обратного осмоса имеют наименьшую селективность) и одновременно получения деионизированной воды [14, 17, 25 - 29], что требует высоких эксплуатационных затрат. Кроме того, дальнейшее снижение расхода концентрата также требует больших затрат, так как для обработки концентрированных растворов требуется дополнительная поверхность мембран [29].
Принципы сокращения расходов концентратов обсуждались в предыдущих публикациях [16 - 19]. В настоящей работе авторами предпринята попытка использовать нанофильтрационные мембраны для удаления аммония и одновременного повышения величины общего солесодержания пермеата. Более высокое значение солесодержание пермеата ведет к уменьшению концентрации солей в концентрате [18, 23 - 27]. Это также позволяет снизить затраты, требуемые для снижения обьема концентрата.
Для этого авторами разработан метод разделения ионов, при котором концентрация одновалентных ионов (например, концентрация иона аммония) снижается в исходной воде и увеличивается в концентрате. Принципы такого подхода показаны в таблице 1 и на рисунке 1. В таблице 1 приведены состав биологически очищенных сточных вод и качество пермеата после обработки сточной воды с применением мембран разных типов (обратноосмотических и нанофильтрацион-ных мембран с разными характеристиками) [28, 29].
Таблицу 1 и рис. 1 см. на следующей странице
03
г
м О
-I
м
Э СО
5
X н
о ю га а *о о <и
и о с
га н
га
<и
а и с
га и га
5 Ъ н о
. О
Сй о
. I* 2 а п О |
Сй .
ей О X
О
X
ш
О
а
■ н I- х
■ о
Таблица 1
Концентрации основных ингредиентов в сточной воде, образцах пермеата и концентрата после обработки с применением различных мембранам в зависимости от значения К
Мембраны BLN Нанофильтрационные мембраны 70 NE
№ Загрязнения Исходная вода, мг/л Пермеат, мг/л / селектив-ность,% Концентрат, мг/л Пермеат, мг/л Концентрат, мг/л
K = 2 K = 10 K = 2 K = 10 K =10 K = 40 K = 100 K =10 K = 40 K = 100
1 ЫН4 1.27 0.15/80 0.5 2.6 10.1 0.9 1.7 3.5 8.0 18 57
2 ро43 0.17 0.02/93 0.18 0.33 1.6 - - 1.5 - - 8.32
3 ХПК 190 32/82 48 220 384 100 300 400 280 490 600
4 БПК 7.24 0.7/90 2.16 7.7 13.8 - - 4.61 - - 124.5
5 804 23 0.12/95 0.47 39 206 - - 5.9 - - 1218
6 СЬ 266 29/88 41.4 416 1942 - - 735 - - 5822
7 Нефтепродукты 4.1 0.02/95 0.1 7.7 31.1 - - - - - -
8 СПАВ 1.8 0.05/98 0.25 2.5 10.2 - - - - - -
9 Общее солесо-держание 465 50/95 250 725 3580 400 700 1215 3500 11000 17160
10 рн 7.0 6.65 6.8 7.6 7.7 - - 7.1 - - 8.0
(а)
Рис. 1(а). Технологические схемы очистки биологически очищенных сточных вод и удаления аммония. Вариант 1: применение обратноосмотических мембран для удаления аммония и дальнейшего снижения расхода концентрата с помощью низкоселективных нанофильтрационных мембран
(б)
Рис. 1(б). Технологические схемы очистки биологически очищенных сточных вод и удаления аммония. Вариант 2: применение двухступенчатой схемы с нанофильтрационными мембранами и использование метода разделения ионов для увеличения общего солесодержания очищенной воды: 1 — мембранный аппарат первой ступени ; 2—мембранный аппарат второй ступени для улучшения качества очищенной воды; 3 — мембранный аппарат третьей ступени для сокращения снижения расхода концентрата; 4—аппарат четвертой ступени обработки смеси; 5 — аппарат пятой ступени для снижения расхода концентрата
сй О X
О
X
Традиционный подход к очистке сточных вод заключается в применении мембран с высокой селективностью для удаления всех солей, органических загрязнений и аммония [1, 14]. Кроме иона аммония, который менее всего задерживается мембранами [14], из воды удаляются все остальные ионы (таблица 1). Использование мембран с высокой селективностью также требует, чтобы значение вели-
Сй о
. I* 2 В п
О I
Ш п
с
с °
с а
■ н I- х
■ о
<1 *
чины выхода пермеата не превышало 0,7 - 0,8. Это необходимо для того, чтобы избежать опасности образования отложений карбоната кальция на мембранах. Для сокращения расхода концентрата используется дополнительная мембранная ступень с низким значением селективности [4, 14, 28]. Очищенная вода (пермеат) после этой ступени направляется на вход в установку и смешивается с исходной водой. Для достижения высоких значений величины выхода пермеата (и сокращения расхода концентрата в 100 и более раз) используется каскад мембранных ступеней. Пермеат каждой ступени направляется на вход в предыдущую ступень [17]. Балансовая схема потоков представлена на рисунке 1(а).
В предыдущих статьях был описан метод расчета необходимой площади поверхности мембран для достижения заданной величины кратности концентрирования исходной воды в установке (значения коэффициента снижения объема К) [17]. Величину общего солесодержания концентрата можно признать основным параметром, определяющим уровень затрат на снижение объема концентрата. В настоящей работе авторы попытались продемонстрировать применение нового разработанного метода увеличения величины общего солесодержания пермеата при неизменном значении концентрации иона аммония. Такой подход может помочь увеличить проникновение солей в пермеат и одновременно уменьшить солесодержание концентрата, что позволит достичь заданного значения концентрирования с меньшими затратами. На рисунке 1(б) показана балансовая схема предлагаемого процесса. Производство качественной очищенной воды осуществляется по двухступенчатой схеме. В рассматриваемом случае (Таблица 1) концентрация иона аммония снижается в 3 раза на первой ступени при использовании мембран 70 NE и величине селективности 80%, и в 3 раза на второй ступени при использовании также мембран 70 NE и величине селективности 80%. Пермеат второй ступени направляется на вход в мембранные модули первой ступени. Пермеат второй ступени соответствует по величине общего солесодержания пермеату первой ступени, полученному по схеме, показанной на рис. 1(а). В мембранных аппаратах третьей ступени, предназначенных для снижения расхода концентрата первой ступени, также используются мембраны 70 NE. На первой ступени достигается величина выхода фильтрата на уровне 0,95 - 0,96, что соответствует уменьшению объема концентрата всего в 20 - 30 раз. Как видно из рисунка 1(б), в концентрате, образующемся после третьей ступени, значение концентрации иона аммония оказывается в 7 раз выше, чем в исходной воде, величина общего солесодержания оказывается выше исходного значения в 10 раз, а концентрация иона кальция — в 20 раз. После смешивания концентрата третьей ступени и пермеата второй ступени получаем раствор со следующими значениями концентраций:
• ХПК—31 мг/л;
• аммоний — 0,52 мг/л;
• общее солесодержание — 310 мг/л;
Эта вода содержит аммоний в той же концентрации, что и пермеат первой ступени, поступающий на вторую ступень. Таким образом, после повторной обработки смеси с применением мембран 70 NE мы получим пермеат с концентрацией аммония 0,2 мг/л и значением TDS в 10 раз выше, чем в случае использования обратноосмотических мембран (рис. 1(а)). Увеличение общего солесодержания очищенной воды может облегчить дальнейшую обработку и сокращение расхода концентрата, так как затраты на мембраны для достижения высокого значения кратности концентрирования (К) существенно зависят от минерализации концентрата [30].
Целью настоящей работы было изучить возможность снижения расхода концентрата и найти способ сокращения общих затрат на утилизацию концентрата. В предыдущих публикациях [14, 28] была рассмотрена технологическая схема, представленная на рис. 1(а), и рассчитаны основные технические параметры мембранной установки. В настоящей статье экспериментально определены параметры работы технолологической схемы, показанной на рис. 1(б).
Экспериментальная программа
Для исследования доочистки биологически очищенных сточных вод методом обратного осмоса была разработана экспериментальная программа. Проба воды ( обьемом 150 литров) после очистных сооружений была предоставлена Водоканалом г. Нарофоминск Московской области. Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Принципиальная схема лабораторной установки: 1 — бак исходной воды; 2 — насос; 3—мембранный модуль в напорном корпусе; 4—бак пермеата; 5—теплообменник; 6—манометр; 7 - 9—расходомеры; 10—обратный клапан; 11 — регулирующий вентиль расхода исходной воды; 12—регулирующий вентиль расхода рабочего давления и расхода концентрата; 13 — вентиль расхода охлаждающей воды; 14,15 — пробоотборники
Исходная вода помещалась в бак 1. Насос 2 подавал исходную воду в мембранный модуль 3. Пермеат после мембранного модуля 3 собирался в бак пермеата 4, а концентрат возвращался обратно в бак 1. Пробы пермеата и концентрата отбирались одновременно, а расход пермеата и общий объем воды пермеата в баке 4 фиксировали в течение всего эксперимента. Значения коэффициента К снижения объема и значения концентраций различных загрязняющих веществ рассчитывались в зависимости от их содержания в пробах пермеата и концентрата.
В экспериментах использовались мембранные элементы типоразмера 1812. Мембранные рулонные элементы были поставлены компанией Toray Advanced Material, Korea Inc. (Производитель мембранных технологий CSM). Рулонные элементы содержали мембраны обратного осмоса (модель BLN, селективность по солям 95 - 96%) и нанофильтрационные мембраны (модель 70 NE, средняя селективность по солям—70%). Общая площадь поверхности мембран в элементе 1812 составляла 0,5 квадратных метра. В ходе проведения экспериментов в баке 4 накапливался пермеат (рис. 2), а объем исходной воды в баке 1 постоянно уменьшался. При этом значения концентраций всех загрязнений, задерживаемых мембранами и возвращаемых в бак 1 (в ионной и органической форме), увеличивались, а расход
и
Z м
О
-I
м
D CD
S
X
н
о
ю
га
а
*о
о
<и
и
о
с
га
н
га
(U
Z
а
со и
о с
X га
о и
X S га н и
н о
и
03 о
в
* о
I
со I
о о s
со
а л
ш С ц о а
■ н
i
a о
< *
пермеата мембранного аппарата 3 постоянно уменьшался с ростом величины общего солесодержания концентрата. В ходе проведения экспериментальной программы были определены зависимости концентраций различных видов растворенных в воде загрязнений от значения коэффициента снижения объема К. Значение K равно отношению расхода исходной воды расходу концентрата Qf/ Qc. Это значение соответствует значению величины выхода пермеата (отношения расхода пермеата к расходу исходной воды) следующим образом: Qp / Qf = 1 - 1/K.
Программа эксперимента была направлена на оценку технических параметров схемы, представленной на рис. 1(б), и включала шесть этапов (шагов):
• шаг 1: использование мембран 70 NE на первой ступени и получение зависимостей значений концентрациq загрязняющих веществ от значения К при изменении К от 1 до 5 (до значения выхода пермеата на уровне 0,8);
• шаг 2: продолжение уменьшения объема концентрата, используя мембраны 70 NE, до достижения величины выхода пермеата на уровне 0,97;
• шаг 3: очистка пермеата первой ступени с использованием мембран 70 NE при значении выхода пермеата 0,8;
• шаг 4: смешение концентрата третьей ступени и пермеата второй ступени, оценка химического состава смеси;
• шаг 5: обработка смеси (четвертая ступень) с использованием нанофильтрационных мембран 70 NE, значение выхода пермеата—0,8;
• шаг 6: продолжение снижения объема концентрата до достижения значения значения коэффициента K = 100.
Значения ХПК определяли титриметрическим методом. Концентрации растворенных органических соединений определяли методом спектрофотометрии. Использовался атомно-адсорбционный спектрофотометр модели «А2» производства «Carl Stuart Group» (Ленстер, Ирландия, Великобритания). Концентрации иона аммония определяли с помощью фотоэлектрического фотометра модели «КФК-3-01-З» (производства Фирмы«ЗОМЗ», Сергиев Посад, Российская Федерация). Значения электропроводности, TDS и температуры определяли с помощью кондуктометра «Конд.730», производства ВНЗ «Инолаб-Аквилон» (Москва, Российская Федерация). Концентрацию кальция оценивали трилонометрически.
Объем пробы воды составлял 100 литров. На первом этапе первоначальный объем пробы был уменьшен в 5 раз с использованием мембран 70 NE, и получили количество пермеата 80 литров. Последние 20 литров были обработаны далее на втором этапе (моделирующем третью ступень схемы на Рис.1(б)). При этом объем концентрата был уменьшен с 20 до 3 литров, что обеспечило уменьшение исходного объема пробы в 30 раз. На третьем этапе пермеат первой ступени был концентрировали в 5 раз и в объем пермеата (64 литра) был добавлен концентрат третьей ступени (3 литра). Затем на четвертом этапе полученная смесь была обработана с применением мембран 70NE (4 ступень, Рис. 1(б)) с получением пермеата (51 л) при К = 5 и далее этот объем был снижен еще в 100 раз и доведен до объема 5 - 6 литров (5 ступень, Рис.1(б)).
На рис. 3 представлены результаты экспериментов, проведенных на этапах 1 и 2. Концентрации кальция (1), аммиака (2) и значения общего солесодержания (3) в пермеате и концентрате представлены в зависимости от значения К. Результаты обработки пермеата первой ступени с применением мембран 70 NE на второй ступени очистки (этап 3) представлены на рис. 4. Для описания процесса очистки и концентрирования всточной воды в соответствии Варианта 1 (рис.1(а)) использованы данные из публикаций [14, 28]. Результаты смешения концентрата и пермеата второй ступени представлены
на рис. 5 (как концентрации исходной воды при К=1)). На рис. 5 представлены результаты обработки смеси с применением нанофильтрационных мембран 70 ЫБ с получением пермеата при значении величины выхода пермеата, равной 0,8 (при К = 5).
СОВ, мг/л 600 ■
500
400
300
200
100
V
ч
м
К
и г
м О
-I
м
Э СО
ю
20
30
40
50
60
70
80
ео
100
Рис. 3. Зависимости концентраций кальция (а), аммония (б) и значений величины общего солесодержа-ния (в) в пермеате от значения коэффициента снижения объема К. 1 — очистка сточных вод с применением мембран ВЬЫ (вариант 1, рис. 1(а)), этапы 1 и 3 стадии; 2 — очистка сточных вод на 1 и 3 ступенях (вариант 2, рис. 1(б)); 3 — очистка на 4 и 5 ступенях (вариант 2, рис. 1(б)); 4—очистка пермеата первой ступени на 2 ступени, (вариант 2, рис. 1(б)).
ГШ4 концентрация, мг/л 5
2 >
к4
К
5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
(а)
СО
о
X
о
X
5
X н О Ю га а *о о <и
и о с
га н
га
<и
а и с
га и га н и о и
Н
Сй о
. I* 2 а п О |
Ш п С
С °
с а
■ н I- х
■ о
<1 *
Общее солесодержание, мг/л 2500 ■
2
М 9
2000
1500
1000
500
К
5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
(б)
СОО; мг/л 600
500
400
300
200
100
/ Ч2
/
г
V
К
5 10 20 30 40 50 60 70 30 90 Ш
(в)
Рис. 4. Зависимости значений концентраций кальция (а), аммония (б) и величины общего солесодер-жания (в) в концентратах на всех ступенях мембранной очистки от значения коэффициента снижения объема К: 1 — 1 и 3 ступени, вариант 1 (рис. 1(а)); 2 — 1 и 3 ступени (вариант 2, рис. 1(б)); 3 — 4 и 5 ступени, вариант 2 (рис. 1(б))
МН4 концентрация, мг/л
50
25
Ч^
К
5 10 20 30 40 50 60 70 30 90 100
(а)
Общее солесодержанне. мг/л
25000
20000
15000
10000
5000
■ *** "2
иГ --—
л У ч
К
5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
(б)
Рис. 5. Зависимости величины удельной производительности мембран от значения коэффициента K (а) и величины общего солесодержания (б): 1 — вариант 2, 1-я ступень; 2—вариант 2, 1 и 3 ступени; 3—вариант 2, 2 этап; 4—Вариант 2, 4 и 5 ступени
На рис. 6 показаны результаты определения требуемых количеств мембранных элементов на каждой ступени.
Рис. 6 см. на следующей странице
03
г
м О
-I
м
Э СО
5
X н
о ю га а *о о <и
и о с
га н
га
<и
СО щ
0 с
1 га О и
х ¡5
5 и
н О
. О
Сй о
. I* 2 а п О |
Ш п
с
с
с а
■ н I- х
■ о
<1 *
Расход пермеата б процентах от расхода исходной воды. %
80_
1—
. 10 /
а ! э
1
■
ы 5-5 ! Щ 03 03
0 20 30 0 Я 60 70 £0 90 100
(а)
2
Удельный расход пермеата, ¡¡¡ц:л час
\
> \
\ \ ч2
ч <
5 10 20 30 40 50 60 70 80 50 100
(б)
2
Удельный расход пермеата. л/м.о час 25
20
15
10
\
> \
\ А ч!
♦ ч <
5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
К
г
м О
(в)
Рис. 6. Основные этапы расчета величины общей площади поверхности мембран, требуемой для снижения объема исходной воды в 100 раз: а) зависимость расхода пермеата (в процентах от расхода исходной воды) от значения K ( в различных диапазонах изменения К); б) снижение удельного расхода пермеата от К; в) зависимости расчетного количества мембранных типа 8049 на каждой ступени от К; 1 — Вариант 1, 1 и 3 ступени; 2—Вариант 2, 1 и 3 ступени; 3 — Вариант 2, 4 и 5 ступени; 4—Вариант 2, 2-я ступень
СО
Снижение производительности мембранных элементов в продолжение экспериментов представлено на рис. 7.
Скорость образования карбоната калыщя, мг - экв / час . ы2 5
выч 70Ш , Х ч У
У V -с
/
¿и
к
Рис. 7. Зависимости скорости образования осадка карбоната кальция от К на разных ступенях схемы водоподготовки (рис. 1): 1 — вариант 2 (рис. 1(б)), 4 и 5 ступени, мембраны 70НЭ; 2 — Вариант 2 (рис. 1(б)) ступени 1 и 3, мембраны 70 НЭ; 3 — Вариант 1 (рис. 1(а)), стадии 1 и 3, мембраны ВЬЫ
5
X н О Ю га а *о о <и
и о с
га н
га
<и
а и с
га и га н и о и
ей О X
О
X
I-
03
* 2
а п
О |
ей .
ш
ц
о а
■ н I- х
■ о <1 *
Рис. 8. Зависимости скоростей накопления органических осадков от К на разных ступенях схемы во-доподготовки (рис. 1): 1 — вариант 1 (рис. 1(а)), 1 и 3 ступени; 2—Вариант 2 (рис. 1(б)), этапы 4 и 5; 3 — Вариант 2 (рис. 1(б)), этапы 1 и 3
Обсуждение результатов
В ходе экспериментов были также определены скорости образования кристаллических отложений карбоната кальция и скорости роста органических загрязнений на мембранах. Для оценки скорости осадкообразования применялся метод расчета баланса масс. Методы экспериментального определения скоростей осадкообразования описаны в [14, 28]. На рисунках 7 и 8 показаны результаты определения скорости образования отложений карбоната кальция и скорости органического загрязнения в мембранных модулях на протяжении всей программы экспериментов [28, 30]. Для прогнозирования снижения производительности мембран вследствие их загрязнения и назначения режимов химических промывок для удаления загрязнений были построены зависимости производительности мембран от времени эксплуатации и от количества накопившихся осадков [17], а также исследована эффективность удаления накопившихся отложений с помощью моющих растворов [17, 28 - 30]. Для оценки стоимостных показателей представленных в работе технологических схем ( в частности, годовых затрат на замену мембран) были проведены расчеты общей площади поверхности мембран на каждой ступени, требуемые для достижения заданной кратности концентрирования ( значения коэффициента К). Для схемы, представленной на рис. 1(а), расчет площади мембранной поверхности выполнен на основании данных по изменению величины удельной производительности мембраны в продолжение эксперимента [17]. Основные этапы расчетов представлены на рис. 6. Принципы расчетов заключаются в интегри-
ровании функции расхода пермеата от К в различных диапазонах изменения величины К (рис. 6(б)). Результаты оценки площади мембран, используемых на первой, второй, третьей и четвертой ступенях технологической схемы (рис. 1(б)) представлены на рис. 6(в).
Последним этапом была оценка и сравнение технических параметров двух рассмотренных технологических схем. В табл. 2 представлены результаты определения площадей поверхности мембран и количества мембранных элементов (для расчета затрат на замену мембран и расходов моющих реагентов, энергозатрат и др.).
На рис. 3 представлены зависимости значений концентраций кальция, аммония и значений общего солесодержания от К в пермеате и концентрате аппаратов с мембранами 70ЫЕ на первой ступени. Кроме того, были определены значения ХПК для дальнейшей оценки скорости адсорбции органических веществ на поверхности мембраны. Как видно их графиков, селективность мембран по органическим загрязнениям оказывается существенно выше, чем селективность по одновалентным ионам (в частности, по ионам аммония). На второй ступени очистки концентрация аммония снижается до расчетного (нормативного значения). Зависимости значений концентраций кальция, аммония и общего солесодержания от К представлены на рис. 4. Результаты определения значений ХПК, концентраций аммония и величины общего солесодержания в концентрате 3-й ступени, пермеате 2-й ступени, в смеси концентрата 3-й ступени и пермеата 2-й ступени, а также в пермеате четвертой ступени (очищенная вода), полученные для Варианта 2 (рис. 1(б)), представлены в Таблице 3.
Таблица 2
Расчет площади поверхности мембран и необходимого количества стандартных мембранных элементов типа 8040 для достижения расчетного значения коэффициента снижения объема К
03
г
м О
-I
м
Э СО
Оф. % от 1-я ступень. схема 1 (рис. 1а) (0 исх = 61.4 м3/час) Схема 2 (рис. 1б), 1 и 3 ступени (0 исх = 68.4 м3/час) Схема 2 (рис. 1б). 4 и 5 ступени (0 исх = 54.4 м3/час) Схема 2 (рис. 1б). 2 ступень (0 исх = 61.4 м3/час)
№ К 0 исх Оф 8Р Р N Оф 8Р Р N 0 8Р Р N 0 8Р Р N
% м3/ час л / м2. час м2 шт. м3/ час л / м2. час м2 шт. м3/ час л / м2. час м2 шт. м3/ час л / м2. час м2 шт.
1 1 - 5 80 49 12 4500 113 53.4 25 2000 50 49 30 1630 40 43 35 1240 31
2 5 - 10 10 6 9 700 18 6.3 20 310 8 6 32 130 5 5.4 32 170 5
3 10 - 20 5 3 14 180 5 3.1 15 160 4 3 22 140 3 - - - -
4 20 - 30 8 1.2 8 150 4 1.3 9 148 4 1.2 15 80 2 - - - -
5 30 - 40 0.8 0.40 6 95 3 0.49 - - - 0.48 10 48 1 - - - -
6 40 - 50 0.5 0.30 4 80 2 0.32 - - - 0.30 8 36 1 - - - -
7 50 - 60 0.4 0.2 2.5 75 2 0.22 - - - 0.2 6 33 1 - - - -
8 60 - 80 0.3 0.15 1.5 60 2 0.16 - - - 0.15 5 30 1 - - - -
9 80 - 100 0.2 0.12 1 40 1 0.13 - - - 0.12 4 30 1 - - - -
общее количество 100 61.4 - - 150 68.4 - - 66 61.1 - - 55 - - - 36
О р6гт—расход пермеата, м3/час, 8Б — удельный расход мембраны, л/м2, Ш — площадь мембраны,
м'
N — количество мембранных модулей 8040, штук
5
X н
о ю га а *о о <и
и о с
га н
га
<и
СО щ
0 с
1 га О и
х ¡5
5 и
н О
. О
СО о
. I* 2 а п О |
Ш п
с
С ° с а
■ н I- х
■ о
<1 *
Таблица 3
Результаты определения ХПК, аммиака и общего содержания растворенных соединений в пермеате и концентрате на разных стадиях технологической схемы (рис. 1(б))
Схема 2 (рис. 1(б)), Схема 2 (рис. 1,(б)), Схема 2
Схема 1 1-я ступень, 3-я ступень, (рис. 1(б)),
Исходная вода 70 мембраны 70 мембраны 4-й этап
№ Ингредиенты мембраны БЬЫ, К=5 Концентрат/ пермеат мембраны 70 ЫБ К = 30 Концентрат/ пермеат К = 5 Концентрат/ пермеат, К = 30 Концентрат, К=5 Смесь Пермеат К=5
1 соб 190 310/32 420/400 300/1600 420/9000 1600 31 9.5
2 КИ4 1.27 5.8/0.2 25/5.1 8/0.5 12/3.5 0.2 0.5 0.2
3 ТБ8 465 2000/50 7000/1500 3500/160 7000/1200 800/80 310 120
Результаты обработки раствора после смешения концентрата первой ступени и пермеата второй ступени представлены на рис. 5. Как видно, значения величины общего солесодержания и концентрации кальция после обработки смеси мембранами 70ЫБ достигают 0,5 и 100 м на литр соответственно (рис. 5(б)). После того, как концентрация аммония достигает нормативного значения 0,2, мг/л, пермеат при соответствующем значении коэффициента К собирался для дальнейшего повторного использования или сброса в природные водоемы. После достижения расчетного качества пермеата концентрат подвергался дальнейшей обработке для уменьшения его объема в 100 раз. На рис. 5(б) видно, что значение общего солесодержания концентрата, соответствующее К = 100, существенно ниже значения концентрата, полученного при использовании технологической схемы, представленной на рис. 1(а), и, соответственно, требуемая площадь поверхности мембраны оказывается существенно меньше, чем для случая очистки в соответствии с Вариантом 1. На рис. 6 показано сравнение показателей очистки, полученных с применением разрличных технологических схем, показанных на рис. 1 (а, б): значения величины общего солесодержания в концентрате первой ступени (а) и концентрате четвертой ступени; производительность мембранного элемента (Ь), требуемая площадь поверхности мембран (с). Как показано в Таблице 2, общая площадь мембран, количество элементов и, следовательно, затраты на замену мембран одинаковы для обоих вариантов. Но необходимое количество моющего раствора, ингибитора и общий расход реагентов оказывается существенно ниже для Варианта 2 (рис. 1(б)).
При расчете годовых эксплуатационных затрат были приняты цены: за один рулонный элемент 8040 — 50000 рублей (замена 1 раз в пять лет); за 1 кг ингибитора и моющей композиции — 1000 рублей; за 1 КВт электроэнергии — 5 рублей.
Таблица 4
Результаты расчета основных технико-экономических показателей станции очистки сточной воды производительностью 50 м3/час
№ Параметры Схема 1 (рис. 1(а)) Схема 2 (рис. 1(б))
1 Количество мембранных элементов (тип 8040), шт. / годовые затраты на замену мембран, шт. / руб. 1 ступень: 151 Всего: 150/1 500 000 1 ступень: 66 2 ступень 2: 36 3 ступень 3: 55 Всего: 157/1 570 000
2 Годовое потребление ингибитора, / годовые затраты на ингибитор, кг / руб. 2100/2 100 000 420/420 000
№ Параметры Схема 1 (рис. 1(а)) Схема 2 (рис. 1(б))
3 Годовой расход моющих средств / годовые затраты на моющие растворы, кг / руб. 3600/3 600 000 396 + 110 = 506/506 000
4 Суммарная мощность насосов, кВт 60 40 + 40 + 35 = 115
5 Общее годовое потребление энергии / годовые затраты на электроэнергию, кВт.ч / руб. 420 000/2 100 000 805 000/4 025 000
6 Годовые эксплуатационные затраты, руб./ год. 9 300 000 6 521 000
Выводы
1. Для доочистки сточных вод после биологической очистки эффективно применяются методы обратного осмоса. Необходимость достижения нормативных требований и низкая концентрация иона аммония требуют использования обратноосмотические мембраны с высокими селективными характеристиками. Это требует больших затрат и дает воду с низким значением общего солесодержания.
2. Для утилизации концентрата разработана технология сокращения его расхода, позволяющая уменьшить объем концентрата в 100 - 200 раз. Технологическая схема включает использование каскада нанофильтрационных мембран с низким значением селективностей по ионам солей. Разработана специальная методика расчета необходимой площади поверхности мембраны для заданного уровня снижения расхода концентрата.
3. Низкие значения жесткости и общего солесодержания очищенной воды (пермеата) затрудняет уменьшение объема концентрата. Разработана новая методика повышения концентрации растворенных ионов в пермеате. Это обеспечивает более высокие значения величины общего солесодержания пермеата и упрощает технологию сокращения расхода концентрата, а также уменьшает требуемую площадь поверхности мембраны и эксплуатационные расходы.
О
ей
1-
и
J3
с;
ш
1-
S
О
а
1-
и
О
Z
IH
О
-1
IH
Э
СО
s
X
Библиографический список £
1. I. M. Wilf. The guidebook to membrane for wastewater reclamation. Balaban Desalination Publi- ro
cations, 2010. Т. 788. vo
О
2. C. R.Bartels, M. Wilf, K. Andes, J. long. Design considerations for wastewater treatment by reverse
osmosis. Water Science and Technology, 2005, 51 (6 - 7):473 - 82. D01:10.2166/wst.2005.0670. О
3. Marjana Simonic. Reverse Osmosis Treatment of Wastewater for Reuse as Process Water — A Case ro Study. Membranes 2121, 11 (12), 976, https://doi.org/10.3390/membranes11120976. g
4. Bunani, S.; Eren Yorukoglu Sert, G.; Yuksel, U.; Mithat Yuksel Kabay, N. Application of nanofiltration for reuse of municipal wastewater and quality analysis of product water. Desalination 2013, 315, 33 - 36.
Z
СО щ О С
-I- (C
5. Jafarinejad, S.; Esfahani, M. R. A Review on the Nanofiltration Process for Treating Wastewaters from the ® {§
Petroleum Industry. Separations 2021, 8, 206. fE o
. o
6. Zheng, Y.; Yu, S.; Shuai, S.; Zhou, Q.; Cheng, Q.; Liu, M.; Gao, C. Color removal and COD reduc- CO o tion of biologically treated textile effluent through submerged filtration using hollow fiber nanofiltration ^ ° membrane. Desalination 2013, 314, 89 - 95.
7. Collivignarelli, M. C.; Abba, A.; Miino, M. C.; Damiania, S. Treatments for color removal from
wastewater," State of the art. J. Environ. Manag. 2019, 236, 727 - 745. q O
■ ti- i
■ o
< *
X
oi
to .
8. Ahmed, S. F.; Momtahin, A.; Mehejabin, F.; Tasannum, N. Strategies to improve membrane performance in wastewater treatment. Chemosphere 2022, 306, 135527.
9. Jiang S., Li Y., Ladewig B. P. A review of reverse osmosis membrane fouling and control strategies. Science Total Environ. 2017. v. 595. pp. 567 - 583. D01:10.1016/j.scitotenv.2017.03.235.
10. Goh P. S., Lau W. J., Othman M. H. D., Ismail A. F. Membrane fouling in desalination and its mitigation strategies. Desalination. 2018. v. 425. pp. 130 - 155. D0I:10.1016/j.desal.2017.10.018/
11. Jamaly S., Darwish N. N., Ahmed I., Hasan S. W. A short review on reverse osmosis pretreatment technologies. Desalination. 2014. v. 354. pp. 30 - 38. D0I:10.1016/j.desal.2014.09.017.
12. S. F. Anis, R. Hashaikeh, N. Hilal. Reverse osmosis pretreatment technologies and future trends: A comprehensive review // Desalination. 2019. T. 452. C. 159 - 195.
13. Fang Tang, Hong-Ying Hu,Qian-Yuan Wu. Fouling of reverse osmosis membranee for municipal wastewater reclamation: Autopsyresults from a full-scale plant. Desalination 2014, 349: 73 - 79, D0I:10.1016/j.desal.2014.06.018.
14. Pervov A. G., Tikhonov K. V. A new technique to purify biologically treated wastewater by reverse osmosis: utilization of concentrate. Vestnik MGSU [ Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2020; 15 (5) P. 655 - 664. D0I:10.22227/1997-0935.2020.5.
15. Abdul Wahab Mohammad, Nidal Hilal, Naif Darwish, Habis Al-Zoubi. Prediction of permeate fluxes and rejections of highly concentrated salts in nanofiltration membranes. Journal of Membrane Science, 289 (1): 40 - 50, D01:10/1016/j.memsci.2006.11.035.
16. Turek M., Mitko K., Dydo P., Laskovska E., Jakobic-Kolon A. Prospects for high water recovery membrane desalination. Desalination. 2017. v. 401. pp. 180 - 189. D0I:10.1016/j.desal.2016.07.047.
17. Pervov A. G., Shirkova T. N., Tikhonov K. V. Calculation of Reverse 0smosis and Nanofiltration Membrane Facilities to Process Solid Waste. Membranes and Membrane Technologies, 2020, Vol. 2, № 5, pp. 296 - 309. Pleiades Publishing. Ltd., 2070.
18. Mohamed E. A., Ali. Nanofiltration process for Enhanced Treatment of R0 Brine Discharge. Membranes (Basel). 2012, March 18, 11 (3): 312. doi: 10.3390/membranes 11030212.
19. Wang Z., Deshmukh A., Du Y., Elimelech M. Minimal and zero liquid discharge with reverse osmosis using low-salt-rejection membranes. Water research, 2020, March1; 170:115317. doi: 10.1016/j. watres.2019.115317.
20. Ayoub G. M., Korban L., Al-Hindi M., Zayyat R. Removal of fouling species from brackish water reverse osmosis reject stream. Environmental Technologies, 2018, March; 39 (6): 804 - 813.doi: 10.1080/ 09593330.2017.1311946.
21. Zhanghin Wang, Ashay Deshmukh, Yuhao Du, Menachem Elimelech. Minimal and zero liquid discharge with reverse osmosis using low-salt-rejection membranes. Water Research, November 2019, 170 (20): 115317. D0I: 10.1016/j.watres.2019.1153417.
22. Joanna Cwikla, Krystyna Konieczny. Treatment of sludge water with reverse osmosis. January 2011., Environment Protection Engineering, 37 (4): 21 - 34.
23. Abulbasher Shahalam, Hader Al-Rashidi, Abdullah Abusam. Treatment of Concentrated Nutrients in reject Wastewater of Reverse 0smosis Process treating Tertiary Effluent from Conventional Biological Treatment of Municipal Wastewater. International Journal of Arts and Sciences, 3(9):258273(2010).
24. Niels van Linden, Ran Shang, Georgg Stockinger, Bas Heijman, Henri Spanjers. Separation of natural organic matter and sodium chloride for salt recovery purposes in zero liquid discharge. Water Resources and Industry. Volume 23, June 2020, 100117. doi.org/ 10.1016/j.wri.2019.100117.
25. Patrizia Marchetti, Maria F. Jimenes Solomon, Gyorgy Szekely, and Andrey Livingston. Molecular Separation with 0rganic Solvent Nanofiltration: A Critical Review. ACS Publications, Chem. Rev., 2014, 114, 21, 10735-10806.//doi.org/10.1021/cr00006j.
26. Yang Fengrui, Wang Zhi, Yan Fanglei, Wang Jixiao. Progress in separation of monovalent/divalent inorganic salt solutions by nanofiltration. CIESC Journal, 2021, Vol. 72, Issue (2): 799 - 813. doi: 10.11949/04381157.20200570.
27. B.Van der Bruggen, A. Koninckx, C. Vandecasteele. Separation of monovalent and divalent ions from aqueous solution by electrodialysis and nanofiltration. Water Research, 2004 March; 38 (5): 1347 - 53 doi: 10.1016/j.watres.2003.11.008.
28. Pervov A., Tikhonov K., Dabrowski W. Application of reverse osmosis to teat high ammonia concentrated reject from sewage sludge digestion./ Desalination and Water Treatment. 2018., Vol. 110, p. 1 - 9. Z
M
29. A. G. Pervov, D. V Spitsov, Z. M. Govorova. The separation of highly mineralized effluents using Q nanofiltration membranes to facilitate their further utilization. Membranes and Membrane Technologies,
2021, Vol. 3, #5, pp. 310 - 323. Pleiades Publishing, Ltd. D0I:10.1134/S251775162105009.
30. Pervov, A. G. Removal of calcium carbonate from reverse osmosis plant concentrates containing inhibitory substances. Membr. Membr. Technol. 2017, 3, 192 - 205.
ÎÛ
INCREASE OF HARDNESS AND TDS OF RO PERMEATE AFTER MUNICIPAL WASTEWATER TREATMENT TO REDUCE COSTS TO UTILIZE CONCENTRATE
A. G. Pervov K. V. Tikhonov
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow
Abstract
The strict wastewater discharge regulations require development of new solutions to efficiently remove biogenic elements from wastewater. Application of reverse osmosis membrane techniques seems an efficient solution of the problem. Reverse osmosis membranes reject contaminants in ionic state and seem an efficient solution of wastewater treatment as it does not depend on biological process. Reverse 0smosis method is now widely used for municipal wastewater post treatment for it's further reuse for technical purposes. But the use of reverse osmosis possess a significant disadvantage as concentrate streams are formed that need handling and utilization. The presented article describes a new experimental program to develop tools to utilize concentrate streams by reduction
The Keywords
reverse osmosis; concentrate handling; nanofiltration; low rejection membranes; reduction of concentrate flow; rejection of biogenic elements
Date of receipt in edition
14.09.2023
Date of acceptance for printing
19.09.2023
S X H
o
»O (C
a
vo o
<U
u
0
E
(C H (C (U
1 a <u
E
(C
u
(C
s S H o
. O
Cû o
. I* s
O i
10 n
c
c a
■ H I- I
■ o < *
CÛ
O X
O
X
of concentrate flow rates by 100 - 300 times. These amounts can be withdrawn from wastewater treatment plant either by road or together with sludge. As monovalent impurities such as ammonia must be reduced by 20 - 100 times, high rejection reverse osmosis membranes are usually used. Therefore, the necessity to remove small amount of ammonia results in low TDS of the product water and produces concentrate flow with high TDS values. In this article authors attempted to develop and introduce a new technique to separate monovalent and divalent ionic impurities with the purpose to increase permeate TDS values to reduce amount of salts withdrawn wit concentrate. This simplifies the procedure of concentrate flow reduction.
Ссылка для цитирования:
А. Г. Первов, К. В. Тихонов. Контроль ионного состава пермеата после обработки сточных вод методом обратного осмоса с целью повышения общей минерализации и снижения затрат на утилизацию концентрата. — Системные технологии. — 2023. — № 3 (48). — С. 130 - 148.
