bbk 000000

УДК 628.33:62-278

Козлов М. Н., Николаев Ю. А., Храменков С. В., Харькина О. В.

Перспективы внедрения мембранной технологии на московских очистных сооружениях

Аннотация

Проведены исследования мембранной технологии очистки низкоконцентрированных городских сточных вод на пилотной установке производительностью до 5 м³/сут. При этом получено высокое качество очищенной воды по взвешенным веществам и биогенным элементам, достигнута устойчивость к залповым поступлениям промышленных сточных вод и высокая эффективность обеззараживания вод. Результаты пилотных испытаний позволили признать мембранные биотехнологии перспективными для реализации на московских очистных сооружениях. Преимущества технологии с использованием мембранных биореакторов: значительное снижение объемов сооружений и занимаемой ими площади за счет высокой концентрации активного ила; возможность более высокой нагрузки на единицу объема, а также значительное снижение количества избыточного активного ила. MBR-технологии представляют собой одну из перспектив развития очистных сооружений в условиях ограниченности территорий.

Ключевые слова

биологическое удаление азота и фосфора , биореактор , гидравлический режим , мембранный модуль , сточные воды

 

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Введение

Внедрение технологий удаления азота и фосфора из городских сточных вод приводит к необходимости увеличения объемов биореакторов (на 20–30%) и вторичных отстойников (на 15–20%) по сравнению с традиционными технологиями очистки воды в аэротенках. В условиях высокой стоимости городских земельных площадей требуется поиск высокоэффективных технологий, позволяющих обеспечивать глубокую очистку сточных вод без увеличения объемов сооружений, а также надежность их работы. Мембранные биологические реакторы (MBR-реакторы) получили признание в мире, поскольку обеспечивают стабильно высокое качество очистки, в том числе и от биогенных элементов, с одновременным сокращением объемов существующих сооружений биологической очистки. Мировой опыт эксплуатации MBR-реакторов в промышленных масштабах в течение длительного времени (на ряде очистных сооружений – более 10 лет без замены мембран) показывает высокую надежность как оборудования, так и самой технологии.

Широкомасштабное использование MBR-реакторов стало доступно лишь в последние 10–15 лет. Основанная на мембранной фильтрации технология сегодня успешно применяется, прежде всего на относительно небольших сооружениях. Высокие капитальные и эксплуатационные затраты, а также недостаточный опыт эксплуатации MBR-реакторов при очистке сточной воды ограничивают распространение этой технологии. Вместе с тем с появлением менее дорогих и более эффективных MBR-модулей и введением более жестких требований к качеству очищенной воды в развитых странах интерес к MBR-технологии существенно повысился.

С середины 1990-х годов благодаря совершенствованию конструкций более дешевых мембран MBR-реакторы превратились в реальную альтернативу традиционной технологии на полномасштабных очистных сооружениях высокой производительности. В Европе такие сооружения для очистки муниципальных сточных вод были введены в эксплуатацию в Великобритании, в г. Порлоке (3800 условных жителей) в 1998 г., в 1999 г. на очистных сооружениях в Германии, в городах Bchel и Rdingen (соответственно 1000 и 3000 условных жителей) и во Франции, в г. Perthes-en-Gtinais (4500 условных жителей). Уже через 5 лет были введены в эксплуатацию сооружения в г. Карсте (Германия), рассчитанные на 80 тыс. условных жителей. Не менее активно развитие MBR-реакторов происходило в США, Японии и других странах. В настоящее время в стадии строительства находятся очистные сооружения Brightwater, расположенные в штате Вашингтон, США. В 2011 г. производительность сооружений при максимальных нагрузках будет составлять 495 тыс. м³/сут, а к 2040 г. – до 645 тыс. м³/сут.

MBR-реакторы производятся и поставляются многими крупными фирмами: «Zenon Environmental» (ныне «GE Water & Process Technologies», США), «Kubota» (Япония), «Mitsubishi Rayon Engineering», «Norit X-Flow» (Нидерланды), «Huber Technology» (Германия), «Koch Membrane System» (США), «Memcor» (часть группы Siemens), «Orelis Mitsui» (Япония), «Wehrle Werk», «Berghof» (Германия) и др.

Методы

Для оценки эффективности применения мембранной технологии по удалению биогенных элементов на Московских очистных сооружениях были проведены полупромышленные испытания на пилотной установке, расположенной на Курьяновских очистных сооружениях (рис. 1, 2). Пилотная установка производительностью до 5 м³/сут расположена в двухэтажном контейнере. Гидравлическая схема установки представляет собой последовательность четырнадцати биореакторов унифицированного типа. Каждый из реакторов является идеальным смесителем и может работать с перемешиванием собственной регулируемой мешалкой или аэрацией воздухом в зависимости от технологической задачи. Унификация биореакторов установки обеспечивает их полную взаимозаменяемость, возможность организации жидкостных потоков по различным вариантам конфигурации процесса, удобство отбора проб воды и профилактического осмотра. Имеется возможность изменять гидродинамический режим работы отдельных технологических зон путем подбора числа реакторов идеального смешения [1]. Биореакторы объемом 100 л каждый изготовлены из нержавеющей стали.

Объем вторичного отстойника составляет 340 л. В начале анаэробной и аноксидной зон установлены специальные устройства – селекторы объемом по 70 л каждый. Селекторы представляют собой реакторы-вытеснители, устанавливаемые перед основными технологическими зонами. Их работа основана на теории кинетической селекции [2; 3]. При высокой концентрации субстрата нитчатые микроорганизмы имеют более низкие скорости роста, чем организмы, образующие флокулы. В селекторах создаются условия, способствующие преимущественному развитию флокулообразующих микроорганизмов и вытеснению нитчатых форм из биоценоза, что в свою очередь позволяет снизить иловый индекс.

На пилотную установку в непрерывном режиме насосом подавалась сточная вода, прошедшая механическую очистку. Исследования проводили в два этапа. На первом, контрольном, этапе испытаний установка моделировала работу сооружений биологической очистки в традиционной конфигурации, когда для илоотделения использовался гравитационный отстойник (рис. 3). Детализированная схема пилотной установки приведена на рис. 4.

На втором этапе исследований изучалась работа установки с использованием мембранного модуля марки МСВ-3 (Membrane Clear Box^®) фирмы «Huber AG» (Германия). Мембранный модуль вмонтирован во вторичный отстойник (рис. 5). В модуле реализована так называемая VUM^®-технология – вакуумная фильтрация на вертикальных плоских мембранах. Мембраны Huber VUM^® являются гидрофильными, обладают высокой смачиваемостью и низким сродством к компонентам сточной воды, вызывающим засорение пор. Размер пор в мембранах составляет 38 нм. Процесс фильтрации ведется при низком трансмембранном давлении – от 0,1 до 0,2 бар. Для предотвращения засорения пакет мембран постоянно продувается воздухом. В системе отсутствуют периодические промывки обратным током жидкости. Отвод очищенной воды осуществляется вакуумным насосом. Электронные системы обеспечивают как микроконтроллерное управление, так и ручное управление отдельными агрегатами. В установке предусмотрена система сигнализации о режимах эксплуатации (трансмембранном давлении и расходе воды), поломках, времени работы.

Результаты и обсуждение

Результаты работы установки во всех исследуемых режимах отображены на рис. 6, 7. Первые 140 суток установка работала без мембранного модуля. На пилотной установке в ходе первого, контрольного, этапа эксперимента поддерживали следующий технологический режим: расход сточной воды 140–150 л/ч; доза иловой смеси 2–2,5 г/л; общий возраст активного ила 14–20 суток; аэробный возраст активного ила 7–8 суток; концентрация растворенного кислорода в аэробных реакторах 1,5–2,2 мг/л; время пребывания в аэробной зоне 2,5 ч, в анаэробной и аноксидной зонах – по 2,3 ч.

Средние показатели очищенной сточной воды составили, мг/л: взвешенные вещества – 8,5; N–NH₄ – 0,38; N–NО₂ – 0,035; N–NО₃ – 8,7; Р–РО₄ – 0,3 (табл. 1). Как видно из рис. 6 (левая часть), в некоторые периоды эксплуатации наблюдалось превышение показателей очищенной воды по аммонийному азоту и азоту нитритов. Нестабильность процесса нитрификации была связана с залповыми поступлениями промышленных сточных вод на КОС, что фиксировалось по резкому увеличению ХПК в осветленной воде. Дополнительным подтверждением такого явления было то, что в аэротенках старого блока КОС, очищающих ту же воду, что и пилотная установка, одновременно наблюдалось снижение качества очищенной воды по азоту. Удаление фосфатов в контрольном режиме протекало стабильно, содержание Р–РО₄ в очищенной воде не превышало 0,4 мг/л.

На втором этапе исследований (более 140 суток) первоначально был оптимизирован гидравлический режим установки, так как работа мембранного модуля в значительной степени зависит от гидравлической нагрузки. Всего были отработаны четыре различных гидравлических режима. На рис. 8 отражена динамика трансмембранного давления с начала эксплуатации мембранного модуля установки. В момент запуска было зафиксировано наименьшее давление – 0,1 бар. Затем давление постепенно увеличилось до 0,15–0,17 бар. В среднем при расходе 170 л/ч, что соответствует удельному расходу 12,3 л/(м²·ч), трансмембранное давление держалось на уровне 0,14 бар. Для кратковременного интенсивного режима фильтрации с расходом 270 л/ч (удельный расход 19,6 л/(м²·ч) трансмембранное давление также не превышало 0,2 бар.

При переходе на второй гидравлический режим с более низким расходом откачки пермеата (110 л/ч, или 8 л/(м²·ч) трансмембранное давление снизилось до 0,07 бар и затем постепенно возросло до постоянного значения 0,15 бар. За три месяца эксплуатации с момента запуска установки в пределах номинальной гидравлической нагрузки, рекомендованной фирмой-производителем, не было необходимости в экстренной промывке, что объясняется высокой стойкостью мембранного модуля к засорению при расходах 110–170 л/ч (8–12,3 л/(м²·ч).

При увеличении нагрузки на мембранный блок до 210 л/ч (15,2 л/(м²·ч) в третьем гидравлическом режиме сопротивление мембранных пластин повысилось в течение недели. Об этом свидетельствует резкий скачок трансмембранного давления до 0,75 бар, уменьшение расхода до 140 л/ч (10,1 л/(м²·ч). Для снижения трансмембранного давления была проведена химическая промывка мембранных пластин гипохлоритом натрия с концентрацией 200 мг/л. В результате промывки давление снизилось до 0,45 бар. После непродолжительного периода работы установки с расходом 110 л/ч (8 л/(м²·ч) модуль быт промыт раствором гипохлорита натрия с концентрацией 400 мг/л. Как видно из рис. 8, трансмембранное давление снизилось до 0,17–0,2 бар, что свидетельствует о полной регенерации мембран.

Таким образом, при расходах 110–170 л/ч (8–12,3 л/(м²·ч) трансмембранное давление находится в рабочем диапазоне 0,15–0,3 бар. Увеличение расхода до значения более 170 л/ч (12,3 л/(м²·ч) приводит к постепенному повышению трансмембранного давления и засорению мембраны. То есть для данного типа мембран минимальное трансмембранное давление обеспечивается при нагрузке менее 110 л/ч (8 л/(м²·ч), оптимальная гидравлическая нагрузка для пилотной установки составляет 140–170 л/ч (10,1–12,3 л/(м²·ч). Такой расход был установлен в ходе проведения контрольного этапа исследования, когда илоразделение осуществлялось в мембранном модуле. Применение мембранного модуля позволило увеличить дозу активного ила с 1,8–2,3 до 6,5–7,6 г/л. Показатели качества воды, очищенной на пилотной установке с мембранным илоразделителем, представлены на рис. 6 и 7 (средняя и правая части) и в табл. 1.

Средние концентрации аммонийного азота и азота нитритов составляли 0,21 и 0,018 мг/л соответственно (рис. 6, табл. 1), что ниже ПДК_рыбхоз соответствующих показателей. Концентрации фосфора фосфатов колебались в интервале 0,1–0,4 мг/л. При этом, как видно из рис. 7, залповые сбросы промышленных сточных вод не оказывают влияния на стабильность процесса нитрификации в отличие от работы установки без мембранного модуля. Наблюдаемое увеличение концентрации N–NH₄ в очищенной воде (синхронно с пиковыми значениями ХПК в осветленной воде) практически не превышало нормативов ПДК_рыбхоз. Применение мембранного модуля стабилизировало процесс удаления аммония.

В ходе исследований проводились замеры концентраций всех форм азота и фосфора фосфатов в каждом реакторе, был получен профиль концентраций загрязнителей по ходу очистки воды. На основе экспериментальных данных был сделан вывод, что для полной нитрификации достаточно двух аэробных реакторов из четырех. Количество унифицированных биореакторов в анаэробной и аноксидной зонах было также избыточно. По результатам испытаний объем аэробной зоны был сокращен в два раза (исключены из работы два реактора). Из эксплуатации были выведены один аноксидный реактор и оба селектора, что привело к уменьшению объема установки на 30%, сокращению периода аэрации иловой смеси до 1,3 ч, времени пребывания в аноксидной зоне до 1,3 ч, в анаэробной зоне до 1,9 ч. Как видно из рис. 6, даже в условиях снижения объема установки на 30% залповые сбросы практически не оказывали влияния на процессы нитрификации. Показатели качества очищенной воды практически не превышали нормативных значений.

Результаты бактериологических и вирусологических исследований сточной воды, очищенной на пилотной установке, представлены в табл. 2. Для сравнения приведены микробиологические показатели биологически очищенной сточной воды Люберецких очистных сооружений, прошедшей УФ-обеззараживание. Количество общих колиформных бактерий (ОКБ) в очищенной воде установки отражает разброс значений в ходе исследования. В 80% проб воды содержание ОКБ было ниже, чем 500 КОЕ/мл, т. е. в пределах норматива. Представленные данные свидетельствуют о том, что ультрафильтрационное мембранное илоотделение позволяет снижать загрязненность очищенной воды по микробиологическим показателям до значений, соответствующих нормативам для водоемов рыбохозяйственного назначения, в 80% проб. При этом обеспечивается качество, сопоставимое с качеством воды, подвергшейся УФ-обработке.

Поскольку вынос взвешенных веществ благодаря использованию мембраны отсутствует, применение MBR-технологии позволяет поддерживать возраст активного ила, оптимизируя его для обеспечения достаточно высокой активности гетеротрофных бактерий и нитрификаторов. В связи с этим технологии на основе MBR-реакторов обеспечивают гарантированное качество очистки от взвешенных и органических веществ и аммонийного азота.

К преимуществам MBR-технологий относятся: значительное снижение объемов сооружений и занимаемой ими площади за счет высоких концентраций активного ила; возможность более высокой нагрузки на единицу объема; значительное снижение количества избыточного активного ила. Применение MBR-технологии перспективно для развития очистных сооружений в условиях ограниченности территорий.

Выводы

Проведенные исследования показали, что применение мембранной технологии позволяет эффективно реализовать процесс биологического удаления азота и фосфора для низкоконцентрированных городских сточных вод с сокращением объема сооружений на 30%. При этом обеспечивается высокая стабильность процессов нитрификации в условиях залповых сбросов высококонцентрированных промышленных сточных вод, что является преимуществом по сравнению с илоразделением во вторичных отстойниках. Качество очищенной воды по взвешенным веществам соответствует требованиям для технического водоснабжения без дополнительных систем третичной очистки. Мембранные технологии рассматриваются как одно из наиболее перспективных направлений развития биологической очистки городских сточных вод.

 

 

Список цитируемой литературы

1. Кутепов А. М., Бондарева Т. И., Беренгартен М. Г. Общая химическая технология. – М.: Высшая школа, 1990.
2. Chudoba J., Grau P., Ottova V. Control of activated sludge filamentous bulking, selection of microorganisms by means of selector // Water Res. 1973. № 7.
3. Сhudoba J., Wanner J. Notes on Oxic, Anoxic, and Anaerobic selectors // Newsletter of the IAWPRC Specialist group on activated sludge population dynamics. 1989. № 1 (2).