CC BY
8СЕКЦИЯ - ЭКОЛОГИЯ И УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ
УДК 628.31
Романова Екатерина Сергеевна
магистр, МГТУ имени Баумана Россия, г. Москва
Найденов Иван Семенович
бакалавр, МГТУ имени Баумана Россия, г. Москва
ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ОЧИСТКИ ВОДЫ
Аннотация: Одна из важнейших глобальных проблем - нехватка запасов пресной воды, представляет собой серьезную угрозу. Системы ZLD (Zero Liquid Discharge) направлены на устранение жидких отходов и повторное использование воды, сводя к минимуму экологический риск. В статье рассматриваются преимущества и вызовы ZLD, а также приводится анализ различных технологий и их эффективности. Исследование подчеркивает значимость ZLD для устойчивого управления водными ресурсами в условиях изменения климата и роста экономического развития.
Ключевые слова: ZLD, нулевой сброс, водные ресурсы, устойчивое развитие, повторное использование воды.
Romanova Ekaterina
master's degree, Bauman Moscow State Technical University,
Russian Federation, Moscow
Naidenov Ivan
bachelor's degree, Bauman Moscow State Technical University,
Russian Federation, Moscow
OVERVIEW OF EXISTING WATER PURIFICATION SYSTEMS
Abstract: One of the major global issues - the shortage of freshwater resources, poses a serious threat. ZLD (Zero Liquid Discharge) systems aim to eliminate liquid waste and reuse water, minimizing environmental risk. The article discusses the advantages and challenges of ZLD, as well as an analysis of various technologies and their effectiveness. The study emphasizes the importance of ZLD for sustainable water resource management in the context of climate change and economic growth.
Keywords: ZLD, zero liquid discharge, water resources, sustainable development, water reuse.
ВВЕДЕНИЕ
Одна из важнейших глобальных проблем нашего времени - нехватка запасов пресной воды, представляет собой серьезную угрозу экономическому росту, водной безопасности и здоровью экосистем. Проблема обеспечения питьевой водой, отвечающей требованиям, еще более осложняется изменением климата, давлением экономического развития и индустриализации. Государственный и промышленный секторы потребляют значительное количество пресной воды, производя при этом огромное количество сточных вод. При недостаточной очистке сброс сточных вод в водную среду приводит к серьезному загрязнению, которое отрицательно сказывается на водных экосистемах и здоровье населения.
В связи с ростом спроса на пресную воду возврат воды в производство стал растущей тенденцией в последнее десятилетие. Повторное использование сточных вод не только сводит к минимуму объем и экологический риск сброса сточных вод, но также смягчает давление на экосистему в результате вывода пресной воды. Благодаря повторному использованию сточные воды больше не считаются "чистыми отходами", которые потенциально вредят окружающей среде, а скорее расцениваются как дополнительный ресурс, который может быть использован для достижения устойчивого водоснабжения.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
«Нулевой сброс» жидкости - система ZLD (ZLD — Zero Liquid Discharge) - является амбициозной стратегией управления сточными водами, которая устраняет любые жидкие отходы, покидающие границы завода или объекта, при этом большая часть воды восстанавливается для повторного использования [1]. ZLD устраняет риск загрязнения, связанного со сбросом сточных вод, и увеличивает эффективность использования воды, тем самым обеспечивая баланс между эксплуатацией пресноводных ресурсов и сохранением водной среды. Достижение ZLD, однако, как правило, характеризуется интенсивным использованием энергии и высокой стоимостью.
В последние годы более широкое признание проблем, связанных с нехваткой воды и загрязнением водной среды, возродило глобальный интерес к [2]. Более строгие правила, растущие расходы на сброс сточных вод, и растущая ценность пресной воды делает ZLD выгодным или даже необходимым вариантом управления сточными водами. По оценкам, глобальный рынок ZLD будет достигать ежегодных инвестиций в размере не менее 100-200 млн долларов США, быстро распространяясь из развитых стран Северной Америки и Европы в страны с развивающейся экономикой, такие как Китай и Индия.
Ранние системы ZLD (рис.1) основывались на автономных термических процессах, при которых сточные воды обычно испарялись в концентраторе, а затем в кристаллизаторе солей или в пруду-испарителе [3]. Конденсированная дистиллятная вода в системах ZLD собирается для повторного использования, а полученные твердые частицы либо отправляются на свалку, либо восстанавливаются в качестве ценных побочных солевых продуктов. Такие системы, которые успешно работают уже 40 лет и строятся до сих пор, требуют значительных затрат энергии и капитала.
Рисунок 1. Ранние системы Обратный осмос (RO), мембранная технология, широко применяемая при опреснении воды, используется в системах ZLD для повышения энергоэффективности и экономической эффективности. Несмотря на то, что обратный осмос более энергоэффективный, чем термическое испарение, может
применяться только для сточных вод с ограниченным диапазоном солености. Электродиализ, прямой осмос и мембранная дистилляция используются как альтернативные технологии для дальнейшей очистки сточных вод после осмоса. Схематическая иллюстрация систем ZLD, включающих эти технологии, показана на рисунке 2 [4].
Рисунок 2. Мембранные процессы В ходе электродиализа (рис.3) постоянное электрическое поле воздействует на движение частиц диссоциированных солей в водном растворе таким образом, что катионы, которые движутся к катоду, проходят через катионообменные мембраны и задерживаются анионообменными мембранами, а анионы, движущиеся к аноду, проходят через анионообменные мембраны задерживаются на катионообменных. При правильной комбинации мембран обоих типов наблюдается разделение ионов входящего раствора, при этом образуется обессоленный поток, так называемый дилуат, и поток концентрированный, или концентрат. Таким образом, разделение осуществляется за счет воздействия электрического поля и высокой избирательной способности (пермселективности) ионообменных мембран к компонентам раствора. В электродиализной установке также циркулирует электродный раствор (в большинстве случаев это раствор индифферентной соли), обеспечивающий регулярное обновление поверхности электродов. Электродный раствор не принимает непосредственного участия в процессе разделения. Процесс деминерализации протекает в электродиализном модуле -
устройстве из электродов, стягивающих плит и пакета мембран. Ионообменные мембраны и прокладки - составляющие части пакета мембран [5].
Рисунок 2. Электродиализ
В отличие от обратного осмоса с гидравлическим давлением, прямой осмос использует разность осмотического давления для обеспечения проникновения воды через полупроницаемую мембрану. В прямом осмосе вода перетекает из очищаемой воды в концентрированный раствор с более высоким осмотическим давлением. Полученный раствор солей направляют в кристаллизатор или пруд-испаритель, тогда как растворенные вещества отделяются от опресненной воды для регенерации концентрированного раствора.
Поскольку движущей силой прямого осмоса является осмотическое давление, он может обрабатывать воду с гораздо более высокой соленостью, чем обратный осмос. При использовании прямого осмоса для концентрирования исходной воды, превышающей предел солености обратного осмоса, осмотическое давление разбавленного раствора будет превышать допустимый предел давления обратного осмоса. Следовательно, в этом случае извлечение растворенных веществ, которые зависят от RO для регенерации (например, №0 и MgSO4), не будет подходящим [6].
Прямой осмос может быть использован для получения высококачественной воды из водных стоков с различной степенью загрязнения,
ХОЛОДНАЯ НАУКА №2/2024
из полупроницаемой мембраны и раствора высокого осмотического давления. Этот процесс потребляет очень мало энергии, так как он осуществляется при очень низких давлениях и комнатной температуре, что является одним из самых важных преимуществ.
Мембранная дистилляция предполагает нагрев воды с одной стороны гидрофобной мембраны. Такая мембрана пропускает только пар, который охлаждается с другой ее стороны, образуя пресную воду, но не пропускает воду. Данный процесс является энергозатратным.
Несмотря на свои недостатки, концентраторы по-прежнему необходимы для процессов ZLD. Поэтому основное внимание в технологии ZLD уделяется уменьшению объема концентрированного раствора солей, поступающего в концентраторы и кристаллизаторы. Обратный осмос, хорошо зарекомендовавшая себя технология обессоливания под давлением с превосходной энергоэффективностью по сравнению с тепловым обессолеванием, используется в системах ZLD для снижения энергопотребления [7].
При обработке воды с более низкой соленостью требуется меньшее количество потребляемой энергии. Кроме того, модульный характер мембранных технологий обеспечивает дополнительную гибкость в адаптации обратного осмоса на очистных сооружениях. В результате обратный осмос можно использовать для предварительного концентрирования воды перед более энергоемкими тепловыми процессами, повышая как энергетическую, так и экономическую эффективность систем ZLD.
Однако применение обратного осмоса в ZLD ограничено двумя присущими ему недостатками - засорением мембраны и ограниченным верхним уровнем солености обрабатываемой воды. Загрязнение мембраны снижает водопроницаемость и срок службы мембран обратного осмоса. Мембранная фильтрация при низком давлении, такая как ультрафильтрация, также является эффективной предварительной обработкой перед обратным осмосом. Недавно стало известно о пилотной системе ZLD, которая включает в себя установку
обратного осмоса с предварительной обработкой UF для обработки воды с высоким потенциалом загрязнения/образования накипи и средним TDS 21 300 мг/л. Предварительная обработка UF удаляла большую часть всех взвешенных твердых частиц и железа, а также почти 50% нефти и жиров, присутствующих в воде [8].
В таблице 1 приведено сравнение методов очистки сточных вод, их преимущества, недостатки, а также энергозатраты. После проведения сравнительного анализа было выявлено, что наиболее подходящим методом очистки является комбинация термических процессов и обратного осмоса [9].
Таблица 1. Сравнение методов доочистки сточных вод
Технология Преимущества Недостатки Энергозатраты (кВтч/м3)
Обратный осмос •низкое энергопотребление •блочно-модульное исполнение •ограничения по уровню солености (верхняя концентрация ~75000 мг/л) •высокая подверженность загрязнению мембраны 1,5-2,5
Электродиализ •высокий предел солености (верхняя концентрация >100 000 мг/л) •низкая подверженность загрязнению •блочно-модульное исполнение • высокие энергозатраты и затраты при очистке воды с высоким содержанием солей • невозможность удаления незаряженных загрязняющих веществ, используя только первичную энергию 7-15
Мембранная дистилляция •высокий предел солености (верхняя концентрация >100 000 мг/л) •низкая подверженность загрязнению •блочно-модульное исполнение •необходима последующая обработка, если присутствуют летучие вещества •мало данных об эксплуатационных характеристиках 40-45
Прямой осмос •высокий предел солености (верхняя концентрация >200 000 РРт) •низкая подверженность загрязнению •блочно-модульное исполнение •новая технология с ограниченными эксплуатационными характеристиками 21
Установка выпаривания •высокий предел солености (верхняя концентрация >200 000 РРт) •высокие энергозатраты •высокие капитальные и эксплуатационные затраты 20-25
ХОЛОДНАЯ НАУКА №2/2024
ВЫВОДЫ
Системы утилизации сточных вод до нулевых сбросов (ZLD — Zero Liquid Discharge) предназначены для переработки жидких отходов на промышленных предприятиях. В результате получается чистая вода и твёрдый побочный продукт с питательной ценностью, который можно продавать или использовать повторно.
На практике стимулы реализации ZLD варьируются в зависимости от его практического применения и географического положения. Существует ряд технологий, которые позволят промышленным предприятиям перейти на замкнутый цикл водоснабжения. После проведения сравнительного анализа мембранных и термических технологий очистки сточных вод, было выявлено, что наиболее подходящим методом очистки является комбинация термических процессов и обратного осмоса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зволинский, В. П. Геостатистический анализ пространственного распределения стойких органических загрязнителей в почвах г. Москвы в пределах Московской кольцевой автодороги / В. П. Зволинский, Д. О. Капралова, Е. А. Левашова // Мониторинг. Наука и технологии. - 2019. - № 4(42). - С. 36-49. - DOI 10.25714/MNT.2019.42.006. - EDN PYCVHJ.
2. Коваленко Н.А. Очистка производственных и ливневых сточных вод НПЗ / Н.А. Коваленко, И.А. Неверова, А.Ю. Кочетков, А.А. Буданов // ООО «Научно-производственное объединение «Катализ». - 2008. - № 9. - С.10 -14.
3. Faissal Tarrass, m.D, Omar Benjelloun, Meryem Benjelloun. Towards zero liquid discharge in hemodialysis. Possible issues [Electronic resourse]. - 2021 -URL: https://www.researchgate.net/publication/358215965_Towards_zero_liquid _discharge_in_hemodialysis_Possible_issues (дата обращения: 16.12.2023)
4. Reshama BHARAT Chavan. Towards Zero Liquid Discharge [Electronic resourse] - 2017 - URL: https://www.researchgate.net/publication/322099981_Towards_Zero_Liqui d_Discharge (дата обращения: 01.12.2023)
5. Жарницкий, В. Я. Факторы, влияющие на интенсивность износа бетонных и железобетонных конструкций гидротехнических объектов / В. Я. Жарницкий, А. П. Смирнов // Природообустройство. - 2021. - № 2. - С. 43-49.
6. Ветошкин А.Г. Инженерная защита гидросферы от сбросов сточных вод / А.Г. Ветошкин - М.: Инфра-Инженерия, 2016. - 296 с.
7. Yinglin Liang, Xin Lin, Xiangtong Kong, Qiushi Duan, Pan Wang, Xiaojie Mei and Jinxing Ma. Making Waves: Zero Liquid Discharge for Sustainable Industrial Effluent Management [Electronic resourse]. - 2021 - URL: https://www.mdpi.com/2073-4441/13/20/2852 (дата обращения: 04.12.2023)
8. Патент N RU 210274 U1 Российская Федерация, МПК E02B 15/00 (2006.01), C02F 1/34 (2006.01). Устройство для очистки водоемов от водорослей : N 2021132822 : заявл. 11.11.2021 : опубликовано 05.04.2022, Бюл. № 10 / Петрашкевич В. В., Михеев П. А., Бенин Д.М., Петрашкевич А. В., Смирнов А.П., Исмаил Х. ; заявитель РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. — 5 с. : ил.
9. Каратаева Е.С., Маркина А.А., Шамсутдинова З.Р. Очистка сточных вод нефтехимической промышленности методами кристаллизации и флотации [Электронный ресурс] // Вестник Казанского технологического университета. 2014. №23. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ochistka-stochnyh-vod-neftehimicheskoy-promyshlennosti-metodami-kristallizatsii-i-flotatsii (дата обращения: 11.12.2023)
