ORGANIC SORPTION-MEMBRANE TECHNOLOGY OF DON WATERS CLEAN

Full Text

Донская вода характеризуется повышенным содержанием органических за грязнений. Так, в 2009 г. концентрация органических загрязнений (по ХПК) в реке Дон составляла в среднем 18,6 мг/л, в 2010- 2012 гг. увеличение произошло до 24 мг/л, в отдельные периоды превышение составляло 30 мг/л [1]. Известные и широко применяемые в практике водоподготовки технологии предусматривают обработку поверхностных вод путем осветления, фильтрования и обеззараживания, основанные на применении различных методов, разработанных еще в 30-40-е гг. прошлого столетия. Обычно они различаются по числу техноло гических операций, применяемым реагентам [2]. Также известны безреагентные технологии очистки воды, к которым относятся медленные фильтры [3], широко применяемые в сельских районах бассейна реки Дон. Для обеспечения качества очищенной воды до требований СанПиН 2.1.4. 1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» на дей ствующих водопроводных очистных сооружениях дополнительно могут применяться методы, основанные на сорбции, озонировании, обратном осмосе, ионном обмене и др. Однако они требуют значительных затрат на оборудование, электро энергию и реагенты [4, 5]. В связи с этим наибольший интерес представляет использование медленных фильтров. Их преимущество заключается в высокой степени очистки воды, удале нии органических загрязнений, DOI: 10.17673/Vestnik.2016.02.5 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) 24 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ отсутствии операции первичного хлорирования и реагентной обработки [3]. Суть метода сводится к биологическим процессам на по верхности песка, где происходит окисление различных органических соединений за счет кислорода воздуха, а песок при этом является как фиксатором биопленки, так и фильтрующим элементом. Недостатком конструкции является низкая скорость фильтрования воды (не более 0,2 м/ч). Такие фильтры не получили широкое распро странение из-за потребности значительных площадей и капитальных вложений на строительство. Реализовать процессы, происходящие в загрузке медленного фильтра, возмож но при совмещении биосорбционной технологии с использованием порошкообраз ных сорбентов и мембранной фильтрации. Эта технология была реализована в биосорбционно-мембранном реакторе (БМР) [6, 7]. Возможность применения БМР для целей питьевого водоснабжения в Российской Федерации представлена в работах учёных НИИ ВОДГЕО В.Н. Швецова, К.М. Морозовой, И.И. Смирновой [6-8]. В этих трудах приведены результаты исследований очистки воды Москвы-реки с использованием половолоконных мембран. Показатели качества очищенной воды удовлетворяли требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01. Цель настоящей работы - исследование возможности применения биосорбци онно-мембранной технологии для очистки донской воды [1, 9]. Это обусловлено тем, что качество воды р. Москвы и р. Дон разнится. Так, значения цветности, пер манганатной окисляемости (ПО) нефтепродуктов и СПАВ р. Дон меньше аналогич ных показателей р. Москвы соответственно в 1,9; 1,9-2,0; 2,3-2,4; 1,8-1,9 раза. А по мутности и фенолам - больше соответственно в 2,2 и 2 раза [1, 10]. Кроме того, в от личие от воды Москвыреки в донской воде присутствуют бромиды [11] с концен трацией до 0,4 мг/л, которые участвуют в образовании галогенорганических веществ при хлорировании воды. С целью проведения опытов была изготовлена и смонтирована установка на Новочеркасских ВОС-1, включающая в себя: резервуар вместимостью 280 л, блок с 8-ю плоскими мем бранными элементами размерами 1000×490×7 мм (производство фирмы SINAP), полезной площадью 6,4 м2 и величиной пор 0,1 мкм. Отвод фильтрованной воды осуществляли путём вакуумирования межмембранного пространства. Рабочий диапазон трансмембранного давления составлял 1,0-30,0 кПа. Блок с мембранами устанавливали в резервуар, оснащенный дренажной аэрационной системой, подачу воз духа обеспечивали в непрерывном режиме с помощью воздушного компрессора. Интенсивность аэрации составляла 37,3- 46,2 м3/м2·ч, где м2 - площадь поверхности (зеркала) мембранного модуля. Эти значения соответствуют рекомендациям фирмы «Toray» (производитель биореакторов с плоскорамными мембранами). В качестве сорбента-носителя биомассы использовали порошкообразный активный уголь (ПАУ) марки ОУ-А, гранулометрический размер которого не превышал 100 мик рон. Концентрация угля в реакторе была 7-9 г/л. Производительность установки 1,1- 2,7 м3/сут, что соответствует удельному потоку через мембрану 7,2-17,6 л/м2·ч. Температура обрабатываемой воды колебалась в зависимости от времени года и со ставляла 4-20 °C, а содержание взвешенных веществ находилось в пределах 0,7-8,2 мг/л. Результаты исследований изменения качества воды р. Дон после БМР по пока зателям: ХПК, цветность и перманганат ная окисляемость в период с ноября 2014 г. по ноябрь 2015 г. представлены на рис. 1-4. На рис. 1 показаны усредненные значения очистки донской воды после БМР по показателям ХПК, цветность и ПО. Рис. 1. Усредненные показатели изменения качества воды р. Дон после БМР: - исходная вода, - фильтрат Как видно из рис. 1, наблю дается заметное снижение ХПК и цветно сти по сравнению с аналогичными показа телями исходной воды за время проведения экспериментов. Так, эффективность удаления орга нических загрязнений по ХПК составляла в среднем 44,4 %, а по цветности - 58 %. Эффективность очистки органических загрязнений, оцениваемых по перманганат ной окисляемости, при этом была 31,2 %. Известно, что в большинстве случаев эффективность очистки зависит от тем пературы обрабатывае- 25 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) А.И. Вергунов мой воды. Для этого были проведены исследования по оценке снижения ХПК, цветности и перманганитной окисляемости в течение года, когда температура обрабатываемой воды изменялась в широком интервале значений в соответствии с сезоном (от 4 до 20 °C). На рис. 2-4 представлены результаты этих исследований. Рис. 2. Изменение концентраций по ХПК во времени и эффективность очистки: 1 - исходная вода; 2 - фильтрат; 3 - эффективность; 4 - линейная аппроксимация эффективности Как видно из рис. 2, изменение концентрации исходной воды по ХПК за период наблюдения имеет сложную зависимость, которая в целом характеризуется повышением определяемого показателя в среднем на 51 %. Несовпадение значений концентраций ХПК в начальных и конечных точках периода исследования (ноябрь 2014 г. - ноябрь 2015 г.) может быть объяснено тем, что в 2015 г. наблюдалось заметное снижение уровня воды р. Дон из-за испарения, а это, как правило, приво дит к концентрированию солей в воде. Характер изменения значений ХПК в фильтрате (кривая 2, рис. 2) за этот же период повторяет ход кри вой ХПК в исходной воде (кривая 1, рис. 2). Эффективность очистки воды по показателю ХПК за время эксперимента снизилась не значительно (на 6,2 %). На рис. 3-4 видно, что характер измене ния кривых цветности и ПО воды в фильтрате повторяет траекторию этих показателей в исходной воде. При этом значения цветности и ПО воды совпадают как в начальный, так и в конечный периоды экспериментов. Из рис. 3-4 следует также, что эффективность очистки воды за период наблюдений по показателям цветности и ПО снижается на 31 и 33 % соответствен но. По-видимому, это может быть связано с ухудшением сорбирующей способности ПАУ и, как следствие, необ ходимости его частичной замены в реакторе. Рис. 3. Изменение концентраций цветности во времени и эффективность очистки: 1 - исходная вода; 2 - фильтрат; 3 - эффективность; 4 - линейная аппроксимация эффективности Рис. 4. Изменение концентраций ПО во времени и эффективность очистки: 1 - исходная вода; 2 - фильтрат; 3 - эффективность; 4 - линейная аппроксимация эффективности В ходе проведения экспериментов плоскорамные мембра ны показали высокую эффективность удале ния взвешенных ве ществ. Мутность сырой воды за период иссле дований была в преде лах 0,7-8,2 мг/л, в филь трате - отсутствовала. Применение БМР с плоскими мембран ными элементами для очистки донской воды обеспечивало снижение показателей ХПК, цветности и ПО в течение длительного периода его эксплуатации. Представленные результаты дают основания для проведения дальнейших работ как по совершенствованию конструкций пилотной установки, так и изменению технологии очистки воды в БМР. Это касается в первую очередь оптимизации распределения воздуха в объёме реактора, контроля за эффективностью сорбции угля, его гранулометрического состава и условий регенерации мембран. Использование метода БМР позволяет снизить концентрацию органических соединений, а следова- Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) 26 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ тельно, уменьшить образование токсичных хлор- и броморга нических соединений при последующем хлорировании. Выводы. В работе представлены результаты использования БМР для обработки воды реки Дон. Установлено, что эффект очистки воды по показателям: ХПК, цветность, ПО и мутность составляет в среднем 44,4; 58; 31,2 и 100 % соответственно. Полученные результаты дают основание для широкого применения БМР с це лью улучшения очистки природных вод от взвешенных и органических соединений.

About the authors

Aleksey I. VERGUNOV

Author for correspondence.
Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files