7819

2

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

М.О. Жакевич, Э.А. Кюберис

МЕТОДЫ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

Учебно-методическое пособие по дисциплине «Методы глубокой очистки природных и сточных вод»

для обучающихся по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, направленность (профиль) Водоснабжение и водоотведение

Нижний Новгород ННГАСУ

2022

3

УДК 628.4.02

М.О. Жакевич Методы глубокой очистки природных и сточных вод [Электронный ресурс]: учеб. - метод. пос. / М.О. Жакевич, Э.А.Кюберис; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2022. – 41 с; ил.1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Приведены указания по выполнению курсовой работы по дисциплине «Методы глубокой очистки природных и сточных вод», рассмотрены содержание и последовательность выполнения разделов расчетно-графической работы, даны рекомендации по расчёту различных методов глубокой очистки природных и сточных вод сооружений систем водоснабжения и водоотведения.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для выполнения расчётно-графической работы по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, направленность (профиль) Водоснабжение и водоотведение.

© Жакевич М.О., Кюберис Э.А. 2022 © ННГАСУ, 2022.

1.МЕТОДЫ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД. МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ

ВВЕДЕНИЕ

Системы водоснабжения и канализации населенных мест предназначены для обеспечения населения питьевой водой, а также для водоотведения сточных вод и последующей их очистки. Обеспечение населения и промышленности водой в сочетании с отведением, очисткой сточных вод, обработкой и ликвидацией осадков составляет необходимые обязательные условия экологической безопасности.

Новые экономические отношения, принятие Гражданского и Водного кодексов Российской Федерации, новое законодательство в области охраны окружающей среды и природопользования создали благоприятные условия для обеспечения потребителей качественной питьевой водой как одного из факторов санитарно-эпидемиологического благополучия населения; охраны окружающей среды от загрязнения недостаточно очищенными сточными водами; повышения эффективности, надежности работы систем и сооружений коммунального водоснабжения и канализации; улучшения организации управления и эксплуатации этих систем. В настоящее время сформированы задачи служб эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения, заключающиеся в бесперебойном снабжении населения, промышленности и сельского хозяйства водой, экономии водных ресурсов, отведении и очистке сточных вод, предотвращении загрязнения водных источников и почвы стоками и твердыми отходами. Рост числа систем водоснабжения и водоотведения, их постоянное усложнение ставят новые задачи перед службой эксплуатации, связанные с автоматизацией систем управления водохозяйственными объектами, внедрением новых перспективных технологий, созданием крупных и групповых систем водопользования, охватывающих целые регионы страны. Появилось много новых технологий водоподготовки и очистки сточных вод, позволяющих получать очищенную воду более интенсивными методами, чем раньше.

Одновременно повысились требования к надежности сооружений и трубопроводов. Несовершенство проектирования и технологии строительства очистных сооружений и сетей водоснабжения и водоотведения, низкое качество используемых строительных материалов, строительство без учета влияния реального состава вод приводят к преждевременному разрушению инженерных конструкций и ухудшению их эксплуатационных характеристик. Для сохранения работоспособности инженерных систем при нормативном сроке службы трубопроводов водоснабжения и водоотведения 25–30 лет требуется высокая степень технической подготовленности персонала при эксплуатации, реконструкции трубопроводов и интенсификации работы очистных сооружений.

В настоящем пособии основное внимание уделено системам и сооружениям, наиболее широко распространенным в коммунальном водоснабжении и водоотведении.

6

1. МЕТОДЫ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД. МЕМБРАННЫЕ

МЕТОДЫ ОПРЕСНЕНИЯ ВОДЫ

К мембранным методам опреснения воды относятся обратный осмос (гиперфильтрация), ультрафильтрация и электродиализ. В основе всех мембранных технологий лежит перенос примесей или растворителя (воды) через мембраны. Природа сил, вызывающих такой перенос, и строение мембран в названных процессах различны. При использовании сил давления при гипер- и ультрафильтрации мембраны должны пропускать молекулы воды, задерживая в максимальной степени ионы и молекулы примесей. При использовании электрических сил в электродиализном методе мембраны должны быть проницаемы для ионов и не должны пропускать молекулы воды.

Условные границы применения этих процессов приведены ниже:

Обратный осмос – процесс мембранного разделения жидких смесей путем преимущественного проникновения через полупроницаемую мембрану растворителя под действием приложенного к раствору давления, превышающего его осмотическое давление (6-10МПА).

В основе данного процесса лежит явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор. Давление, при котором наступает равновесие, называется осмотическим. Понятие «обратный осмос» показывает обратимость естественного (прямого) осмоса.

Проиллюстрируем процессы прямого и обратного осмоса схемой, приведенной на рис. 1.1.1. Если чистую воду и водный раствор какого-либо неорганического вещества поместить в два отсека по обе стороны полупроницаемой мембраны, способной пропускать только молекулы воды (рис. 1.1.1, а), то в такой системе будет наблюдаться следующее. Из-за разности давлений (концентраций) в разных отсеках происходит переход молекул воды в объем с их меньшей концентрацией, т.е. в отсек солевого раствора, объем которого постепенно увеличивается, раствор разбавляется, разность давлений уменьшается, тормозя дальнейший перенос молекул Н20. В состоянии равновесия уровни в обеих частях ячейки не будут изменяться, а установившееся гидростатическое давление определяется как осмотическое давление раствора (рис. 1.1.1, б).

7

Рис. 1.1.1. Принципиальная схема прямого и обратного осмоса: а — начало осмотического переноса; б — равновесное состояние; в — обратный осмос; 7 — пресная вода; 2 — соленая вода; 3 — мембрана; п — осмотическое давление раствора, К; С—концентрация растворенного вещества, г/л; М — масса 1 моля растворенного вещества, г.

Если создать в солевом растворе давление Р, превышающее осмотическое, то молекулы воды будут перетекать в направлении, обратном ее естественному движению, т.е. вода из раствора будет переходить через полупроницаемую мембрану в чистую воду, а значит будет проходить процесс обратного осмоса (рис. 1.1.1.в).

Поскольку размер ионов солей примерно в 1,5 раза больше молекулы воды, то это осуществить (в техническом смысле) вполне возможно. Так как молекулы воды способны протекать через поры, слишком узкие для прохождения ионов солей, то это явление называется также гиперфильтрацией (сверхфильтрацией).

Движущая сила обратного осмоса выражается следующим образом:

где — коэффициент Вант-Гоффа;

R — универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль-К); Т — абсолютная температура, К; С – молярная концентрация растворенного вещества, моль/л;

М – молярная масса растворенного вещества, г/моль.

Для хорошо растворимых веществ в разведенных растворах диссоциацию можно считать полной, и в эти случаях коэффициент Вант-Гоффа можно использовать как целое число, соответствующее числу образовавшихся ионов (например, для NaCl / = 2).

Из (2) следует, что осмотическое давление раствора зависит от химической природы растворенного вещества и его концентрации. Например, для раствора NaCl

8

с концентрацией 35 г/л (примерно равной солесодержанию океанской воды) при Т = 293 К осмотическое давление

1 = 2 ∙ 8,31 ∙ 293 ∙ 35 = 2,9 МПа 58

Обратный осмос и ультрафильтрация принципиально отличны от процессов фильтрования, так как при их реализации образуется не осадок, как при фильтровании, а лишь два раствора с различными концентрациями примесей. Однако для достижения длительного срока службы полупроницаемых мембран необходима предварительная, достаточно полная очистка воды от коллоидных и грубодисперсных примесей.

Механизм осмотических и ультрафильтрационных процессов базируется на капиллярно-фильтрационной модели, согласно которой в полупроницаемой мембране имеются поры диаметром, достаточным для прохода молекул воды, но недостаточным для прохождения гидратированных ионов и молекул растворенных веществ. Из-за невозможности создания мембран с одинаковыми размерами пор (изопористых) в промышленных мембранах имеется часть более крупных пор, через которые могут проникать гидратированные ионы, что снижает селективность (избирательность) процессов переноса. Опыт эксплуатации установок обратного осмоса показал, что порядок задержания ионов полупроницаемыми мембранами соответствует ряду селективности обмена ионов на ионитах, т.е. связан с возрастанием степени гидратации.

1.1 ТИПЫ, ВИДЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕМБРАН

Мембраны для обратного осмоса могут рассматриваться как промежуточный тип между мембранами с открытыми порами (микрофильтрационными и ультрафильтрационными) и плотными непористыми (газоразделительными). В противоположность ультрафильтрации и микрофильтрации выбор материала мембраны для обратного осмоса прямо влияет на эффективность разделения. Другими словами, материал, из которого изготовлена мембрана, должен иметь высокое сродство к растворителю (главным образом к воде) и низкое сродство к растворенному компоненту.

Под понятием «сродство» имеется в виду высокая проницаемость растворителя через мембрану и низкая проницаемость растворенных соединений. Именно поэтому мембраны, используемые в процессах обратного осмоса, называют полупроницаемыми. Это подчеркивает, что процесс выбора материала мембраны для обратного осмоса становится чрезвычайно важным, поскольку свойства материалрастворитель определяют характеристики (селективность) мембраны.

Обратноосмотические мембраны имеют асимметричную структуру и состоят из двух слоев: верхнего активного толщиной до 0,3 мкм, представляющего собой собственно разделяющую часть мембраны, и нижнего крупнозернистого толщиной 100—200 мкм, который является подложкой и обеспечивает механическую прочность мембраны. Среди важнейших технологических показателей полупроницаемых мембран используются следующие: проницаемость (удельная

9

производительность) и селективность, обеспечивающая требования к качеству фильтрата (соответствие санитарным нормам, допустимым потерям растворенного вещества и т.п.). Условия работы обратноосмотических установок определяются коэффициентом выхода фильтрата.

Проницаемость мембран G, дм3/(м2-сут), выражается количеством фильтрата

где a и b – константы для данной мембраны при определенных давлении и температуре (табл. 5.1.);

Нс.г. – среднее геометрическое значение теплот гидратации ионов, образующих соль, равная 584 кДЖ/моль;

Zm – валентность иона с меньшей теплотой гидратации, равная 1.

Следует отметить, что увеличение селективности мембран как типа МГА на основе ацетилцеллюлозы, так и типа МГП на основе ароматических полиамидов приводит к снижению их проницаемости (табл. 2.2), поэтому при практическом их использовании учитываются эти альтернативные свойства.

10

Таблица 2.2. Технологические характеристики полупроницаемых мембран

Коэффициент выхода фильтрата кв.ф,%, характеризует работу обратноосмотических установок и представляет собой отношение расхода очищенной воды Qф к расходу воды, поданной на установку Qисх:

Современные промышленные обратноосмотические установки выпускаются двух типов: со спиралевидными (рулонными) мембранами и с мембранами в виде полых волокон с внутренним диаметром от 25 до 80 мкм. Установки состоят из большого числа модулей, которые соединяются в блоки по определенной схеме.

Аппараты рулонного типа [рис. 2.1] состоят из корпуса 1, представляющего собой трубу, в которую вставляют рулонные фильтрующие элементы (РФЭ) 2. Из таких модулей собирается аппарат заданной производительности. РФЭ соединяют между собой муфтами. Изготовляют РФЭ накручиванием вокруг центральной водоотводящей трубки со щелями 4 полупроницаемых мембран, разделенных дренажными устройствами и турбулизаторами-разделите- лями. В процессе накручивания материалы, образующие мембранные пакеты, пропитывают клеевой композицией, в результате чего получаются напорные и дренажные полости, отделенные друг от друга. Поступающая в корпус аппарата 1 соленая вода попадает

внапорные каналы фильтрующих элементов, движется вдоль их образующих, опресняется и в виде концентрата отводится. Опресненная вода направляется по спиралевидным каналам к центру фильтрующего элемента и по водоотводящей трубке 4 выводится из аппарата. Попадание соленой воды в зазор между РФЭ 2 и корпусом аппарата 1 предотвращается установкой уплотняющих колец 3.

Наиболее перспективны аппараты с мембранами из полых волокон. Модуль с U-образной укладкой полых волокон [рис. 2.2], являющихся полупроницаемыми мембранами, состоит из цилиндрического корпуса, имеющего штуцера для подвода исходной воды и отвода фильтрата и концентрата. Концы волокон, находящиеся в эпоксидном замке, открыты, и через них из центрального канала фильтрат попадает

всборную камеру и выводится из модуля. Сырая вода под давлением распределяется радиально и по всей длине модуля.