Використання методів зворотного осмосу і ультрафільтрації для очистки стічних вод

Зворотним осмосом і ультрафільтрацією називають процеси фільтру вання розчинів через напівпроникну мембрану під тиском, який перевищує осмотичний тиск. Мембрани пропускають молекули розчинника і зат­римують розчинені речовини. При зворотному осмосі відділяються частки (молекули, гідратовані іони), розміри яких не перевищують розмі­ри молекул розчинника. При ультрафільтрації розмір окремих частиною на порядок більший, але максимальні їх розміри не перевищують 0,5 мкм

Отже, від звичайної фільтрації ці процеси відрізняються відділсп ням частинок менших розмірів. Тиск, який необхідний для проведення процесу зворотного осмосу (6-10 МПа) значно більший, ніж для процесу ультрафільтрації (0,2-0,5 МПа). Зворотний осмос викорис­товується для знесолення води в системах водопідготовки ТЕЦ і підприємств різних галузей промисловості, а також для очистки дея­ких промислових і міських стічних вод. Перевагами методів є:

1. відсутність фазових переходів при відділенні домішок;

2. можливість проведення процесу при кімнатній температурі без дода­вання хімічних реагентів;

3. простота конструкції апаратів.

Недоліками методів є: виникнення явищ концентраційної поляризації, яке полягає у зростанні концентрації речовини у поверхні мембрани, що зменшує продуктивність, ступінь розділення і строк експлуатації мембран;проведення процесу при підвищеному тиску вимагає спеціального ущіль­нення апаратури.

Ефективність процесів розділення залежить від властивостей мем­бран і вони повинні відповідати таким вимогам:

• висока розділяюча здатність (селективність);

• велика питома продуктивність (проникливість);

• механічна стійкість та стійкість до дії середовища; х постійність характеристик в процесі експлуатації;

• невисока вартість.

Селективність ф (у %) процесу розділення визначають за форму­лою:

,

де С₀ і С - концентрація розчиненої речовини у вихідній стічній воді і фільтраті.

Проникливість визначається за кількістю фільтрату V, який одержаний за одиницю часу з одиниці робочої поверхні: V = k₁·( Δp - Δp_o)

де Δр - різниця тиску води до і після мембрани; Δр₀ - різниця осмотичних тисків;

k₁ - коефіцієнт, що залежить від проникливості мембрани.

Запропоновано кілька варіантів механізму зворотного осмосу. За одним з них мембрани сорбують воду, яка в поверхневому шарі не володіє здатністю до розчинення. Якщо товщина шару адсорбованих молекул води складає половину або більше половини діаметру пор мембран, тоді під тиском через пори буде проходити тільки чиста вода, ізважаючи на те, що розмір деяких іонів менший, ніж розмір молекули води. Проникненню таких іонів через пори перешкоджає їх гідрат­на оболонка. Якщо товщина адсорбованого шару молекул води менша від половини діаметра пор, тоді разом з водою через мембрану будуть проникати і розчинені речовини.

Для ультрафільтрації запропонований інший механізм розділення. Розчинені речовини затри-муються на мембрані тому, що розмір мо­лекул їх більший, ніж розмір пор, або внаслідок тер-тя молекул у стінки пор мембрани. Насправді у процесі зворотного осмосу і ультра­фільтрації мають місце складніші процеси.

Для проведення процесу очистки води використовують непористі - динамічні і дифузійні мембрани, які є квазігомогенними гелями, і пористі мембрани у вигляді тонких плівок, які виготовлені з полімер­них матеріалів. Найбільшого поширення набули полімерні мембрани з ацетатцелюлози. Розроблені також мембрани із поліетилену, фторо­ваного етиленпропіленового сополімеру, політетрафторетилену, пори­стого скла, ацетобутирату целюлози.

Ацетатцслюлозні мембрани використовуються для зворотного ос­мосу і вони мають анізотропну структуру. Верхній активний шар товщиною до 0,25 мкм є шаром, в якому проходить розділення, а нижній -крупнозернистий шар забезпечує механічну стійкість мембран. Аце-татцелюлозні мембрани ефективно працюють у межах тисків 1-8 МПа, температур 0-30°С і значень рН 3-8. Для ультрафільтрації використо­вують нітратцелюлозні і поліелектролітні мембрани. За структурою вони аналогічні ацетатцелюлозним.

Процес мембранного розділення залежить від тиску, гідродинаміч­них умов і конструкції апарату, природи і концентрації стічних вод, вмісту в них домішок і температури.

Вплив концентрації розчину призводить до зростання осмотичного тиску розчинника, підвищення в'язкості розчину і зросту концентра­ційної поляризації. Це, в свою чергу, призводить до зниження проникливості і селективності. Зворотній осмос рекомендують вико­ристовувати для очистки стічних вод з такою концентрацією електро­літів: для одновалентних солей - не більше 5-10%; для двохвалентних -10-15%; для багатовалентних - 15-20%. Для органічних речовин заз­начені межі дещо вищі. Для зменшення впливу концентраційної поля­ризації використовують рециркуляцію розчину і турбулізацію примембранного шару рідини за допомогою мішалки, вібраційних пристроїв і збільшення швидкості. Оптимальний тиск і температура процесу залежать від природи мембрани.

Апарат типу фільтрпрес представлений на рис. 4.18. Конструкція апаратів для проведення процесів зворотного осмосу і ультрафільтрації повин-на забезпечити значну поверхню мембран н одиниці об'єму, простоту зборки і монтажу, механічну стійкість і гер метичність. В апаратах типу фільтрпрес мембрани викладені з обох сторін плос­ких пористих дренажних пластин, які розміщені на відстані 0,5-5,5 мм одна від одної. Фільтруючі елементи затиснуті між двома фланцями і стиснуті болтами. Стічна вода послідовно проходить крізь всі елемен-

т и, концентрується і видаляється із апарату. Фільтрат (очищена вода), який пройшов мембрани, виходить через дренажні шари. Апарати цього типу мають невисоку продуктивність.

1 - пористі пластини; 2 - мембрани

Рис. 4.18. Апарат типу фільтрпрес

За способом укладання мембран апарати поділяють на чотири основні типи:

1. Типу фільтрпрес з плоскопаралельними фільтруючими пристроями;

2. З трубчастими фільтруючими елементами;

3. З рулонними або спіральними фільтруючими елементами;

4. З мембранами у вигляді пустих волокон.

Хімічні методи очистки стічних вод

До хімічних методів очистки стічних вод належать нейтралізація, коагуляція та флокуляція, окислення і відновлення. Всі ці методи пов'язані з витратами різноманітних реагентів, тому є дорогими. Вони використо­вуються для видалення з води розчинених речовин (хімічно зв'язаних) і завислих речовин. Хімічна очистка проводиться іноді як попередня стадія перед біологічною очисткою або після неї як стадія доочистки.