УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ
WATER TREATMENT DEVICE AND METHOD

Настоящее изобретение относится к устройству для очистки воды, которое содержит зону флотации, зону мембранной фильтрации и средства отвода, при этом зона флотации и зона мембранной фильтрации имеют общую разделительную стенку.
Обрабатываемая вода перед сбросом в природную среду, предназначенная для потребления или использования в установках, может содержать взвешенные материалы (частицы, водоросли, бактерии…) и иметь различающиеся характеристики, обычно помутнение от 0,1 до 200 NTU, температуру от 0,5 до 50°С. Такая вода нуждается в очистительной обработке.
Существует ряд способов очистки, в частности флотация растворенным воздухом, мембранная фильтрация и комбинация сливания жидкости с осадка с мембранной фильтрацией или флотации с мембранной фильтрацией.
Флотация растворенным воздухом, часто называемая DAF, является одним из способов очистки, используемым для очистки воды с целью получения питьевой воды, технологической воды и воды, получаемой в фильерах для очистки остаточных сточных вод. Она содержит обычно совокупность различных этапов:
- коагуляция с целью нейтрализации поверхностных коллоидных примесей и адсорбция растворимых материалов,
- образование хлопьев, обеспечивающее слияние сгустков частиц,
- нагнетание воды под давлением для осуществления контакта микропузырьков, получаемых при сбросе давления, и хлопьев в воде,
- сепарация, позволяющая разделить хлопья и очищенную воду,
- сбор очищенной воды и
- сбор флотированного шлама.
Технология флотации является объектом многочисленных усовершенствований, например турбулентная флотация (патент США 5,516,433), который предлагает на базе зоны флотации элементы контроля и распределения расхода, позволяющие получить на входе этих элементов неоднородный расход. Этот феномен вызван внутренней циркуляцией, являющейся объектом вышеуказанного патента.
Такая технология флотации растворенным воздухом, хотя и оптимизирована, но не имеет стопроцентной отдачи в плане уменьшения количества частиц и коагулированных материалов и требует во всех случаях фильтрации, позволяющей отделить от очищенной воды остаточные хлопья, не удаленные в системе флотации.
Очистка мембранной фильтрации предполагает наличие мембран для фильтрации, ультрафильтрации и микрофильтрации, которые характеризуются порогом отсечки, позволяющим ограничить физический барьер, играя роль настоящего сита. В соответствии с их геометрическими характеристиками и порогом отсечки мембраны для ультрафильтрации (UF) и микрофильтрации (MF) особенно предпочтительны при очистке воды, которая содержит такие частицы, как взвешенные материалы, микроорганизмы… Области использования мембран при очистке воды ограничены двумя случаями:
- слабое удаление растворенных компонентов, органических материалов и молекул, размер которых меньше порога отсечки мембран, и
- ограниченная гидравлическая способность, связанная с заиливанием мембран материалами, удерживаемыми при фильтрации (называемая фильтрационным пирогом), в особенности при обработке воды, содержащей сильные концентрации взвешенных материалов или органических материалов.
Так же как и среднегранулированная фильтрация, мембранные ультрафильтрация и микрофильтрация усовершенствуются на этапе предварительной обработки.
В патенте JP 2005046684 описан мембранный биореактор для обработки жидких отходов, содержащих растворимые органические материалы. В нижней части зоны обработки предусмотрены средства аэрации для создания больших пузырьков воздуха и/или кислорода для окисления обрабатываемых бактерий. Эти пузырьки распространяются во всем реакторе и вызывают движение, которое не позволяет создать зону флотации.
Объединение обработки коагуляцией/отстаиванием и мембранной фильтрации широко известно и используется в промышленности (Сан Антонио, Техас; Ривьер Капо, Мартиника). Это объединение доказывает, что имеется интерес в плане улучшения удаления растворенных материалов, которые могут быть объектом коагуляции, и в плане улучшения мембранной фильтрации.
Объединение двух этапов очистки, каковыми являются флотация растворенным воздухом и мембранная фильтрация, также хорошо известно как в рамках опытно-экспериментальных исследований, так и в плане промышленного применения (San Joachim). Использование фильер подразумевает также этап флотации растворенным воздухом, сопровождаемый этапом мембранной фильтрации. Каждый способ осуществляется независимо, и не существует оптимальной реализации возможностей, вызванной объединений этих двух технологий.
Существует множество попыток объединения двух способов путем введения мембран в зону флотации. В существующих устройствах мембраны располагаются под слоем створоженной воды, являющейся результатом флотации. Зная гидравлику и осуществление флотации растворенным воздухом, специалист сразу же определит границы этого типа использования. Сепарация микропузырьков очищаемой воды, не останавливаемая на входе мембран геометрией отверстий, вызывает заиливание скапливанием микропузырьков в фильтрационных модулях. Единственным средством ограничения этого явления является повышение уровня воды над блоком мембран, что вызывает увеличение общей высоты.
Кроме того, размещение мембран в зоне флотации и под слоем шлама делает невозможным впуск воздуха из-за вероятности разрушения этого слоя и превращение во взвесь слипшихся материалов в этом слое, повышая концентрацию материала во взвешенном состоянии вблизи мембран, ухудшая качество фильтрационных мембран.
Наконец, регулирование комплекса флотации растворенным воздухом и мембранной фильтрации затруднено, а операция по опорожнению установки может быть осуществлена только после удаления шлама с поверхности.
Кроме того, трудно осуществить флотацию турбулентного типа, которая нуждается в системе контроля и распределения потоков между флотацией и мембранами.
Кроме того, мембраны составляют значительную стоимостную часть установки, поэтому нецелесообразно увеличивать число или поверхность этих мембран, чтобы столкнуться с низкой отдачей мембран, вызванной флотацией.
В связи с вышеуказанными трудностями заявитель предлагает устройство и способ повышения скорости обработки воды и облегчения обслуживания установки без значительного увеличения стоимости эксплуатации.
В соответствии с изобретением устройство для очистки воды описанного выше типа отличается тем, что общая разделительная стенка Р содержит в нижней части отверстие о, обеспечивающее прямой проход флотационного слоя воды в зону фильтрации, что приводит к питанию мембран флотационной водой снизу вверх как в фазе фильтрации, так и в фазе отмывания. Идеально режим течения вблизи этого отверстия будет ламинарным.
Предпочтительно, чтобы зона флотации содержала средства, позволяющие установить турбулентную флотацию.
Предпочтительно также, чтобы средства отвода d содержали два сливных порога d1 и d2, размещенных над зоной сепарации и связанных с зоной флотации и зоной фильтрации и позволяющих получить жидкость независимо из зоны флотации и зоны фильтрации.
Предпочтительно также, чтобы зона фильтрации была выполнена в виде отсеков. В этом случае каждый отсек может быть изолирован от других зон вентилем с широким проходом.
Предпочтительно также, чтобы зона фильтрации была полностью свободна сверху.
Предпочтительно также, чтобы около отверстия в разделительной стенке были предусмотрены дефлекторы или лопасти для создания гидравлически ламинарного режима.
Настоящее изобретение касается также способа очистки воды, содержащего этап флотации, этап мембранной фильтрации и этап отвода шлама, получаемого на этапе флотации, отличающегося тем, что проход флотационной воды к зоне фильтрации является прямым таким образом, чтобы питание мембран флотационной водой было осуществлено снизу вверх как в фазе фильтрации, так и в фазе отмывания.
Предпочтительно, чтобы был предусмотрен этап чистки устройства для удаления шлама с помощью флотационной воды.
Предпочтительно, чтобы осуществлялось регулирование уровней рекуперации в сливном коллекторе.
Предпочтительно, чтобы был предусмотрен этап введения дополнительных реактивов между этапом флотации и этапом фильтрации.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, в числе которых:
Фиг.1 изображает схематичный вид сверху устройства по изобретению, в котором обрабатываемый поток движется последовательно слева направо,
Фиг.2 изображает схематичный продольный разрез устройства, подобного устройству на фиг.1, в фазе функционирования с удалением шлама, исходящего из зоны флотации,
Фиг.3 изображает процесс удаления шлама из зоны флотации, показанного на фиг.1,
Фиг.4 изображает вид, подобный виду на фиг.2, для случая использования флотационной воды для чистки средств отвода шлама, и
Фиг.5 изображает процесс удаления шлама, показанного на фиг.4.
Обращаясь к фиг.1 и 2, можно видеть, что устройство D по изобретению содержит:
- одну зону двойного отстаивания а1/а2, в которую сырая вода ЕВ поступает через сливной порог на обработку,
- зону b падения давления и смешивания,
- зону с флотации, снабженную элементом распределения расхода r,
- зону общего сбора разбавленной воды, отмывания мембран и шлама и
- зону отсеков, где размещены фильтрационные мембраны е и откуда затем отбирается обработанная вода ЕТ.
Время отстаивания в зоне а составляет от 5 до 25 минут, обычно от 5 до 15 минут. Время флотации в зоне с составляет от 5 до 10 минут. Время нахождения в зоне е составляет от 2 до 5 минут.
Можно констатировать, что устройство использует две технологии очистки, каковыми являются турбулентная флотация, аналогичная описанной в патенте США 5513433, и фильтрация на погружных мембранах, в качестве которых использованы мембраны для микрофильтрации, ультрафильтрации, нанофильтрации или гиперфильтрации, использующие мембранные геометрии типа полых спиральных или плоских волокон таким образом, что оборудование каждой из двух технологий работает совместно.
Установки с турбулентной флотацией такого типа никогда не использовались при современном уровне знаний, тем более что циркуляция внутри флотатора не сравнима с циркуляцией, которая была бы необходима для хорошей работы мембран.
Действительно, турбулентная флотация содержит элементы распределения r, размещенные на базе зоны с флотации, позволяющие обеспечить в последней равномерное гидравлическое распределение. Флотационная вода собирается под этими элементами распределения расхода. В настоящем изобретении используют эту флотационную воду (на выходе из зоны с флотации) для реализации оптимального гидравлического питания мембранных модулей в ламинарном режиме, чтобы не разрушать хлопья отходов и совместить восходящий поток питающей воды и восходящий поток пузырьков.
Устройство j позволяет создавать микропузырьки в виде слоя jb в верхней части зоны с флотации путем введения сжатого воздуха ас у днища смесительной зоны b. Устройство j содержит корпус или удлиненную смесительную камеру на уровне своей нижней части b и выполненную в виде вертикальной инжекционной трубы. Нижний конец инжекционной трубы снабжен расширительными форсунками для получения мелких пузырьков, в частности пузырьков микроскопических размеров. Указанные микропузырьки собирают загрязнения, имеющиеся в обрабатываемой воде, и формируют слой флотоконцентрата ес или шлама.
Перед введением сжатого воздуха ас он смешивается с нагнетаемой посредством насосной системы sp водой в нижней части зоны фильтрации е.
Инжекция микропузырьков осуществляется в канале, образованном стенками m и n, которые отделяют смесительно-расширительную зону b от зоны отстаивания а, размещенной на входе, и от зоны флотации с, размещенной на выходе. Стенка m снизу содержит отверстие, а стенка n содержит отверстие в верхней части на уровне слоя флотоконцентрата ес для обеспечения циркуляции обрабатываемой воды.
Слой микропузырьков 1b размещен под слоем флотоконцентрата ес. Очистка осуществляется в слое микропузырьков 1b.
Учитывая малые скорости в зоне, связывающей зону флотации и мембранные модули, хлопья, выходящие из зоны флотации, не испытывают никакого воздействия от сильного рассеяния энергии, которое могло бы возникнуть, например, в канализации или насосе. Таким образом, хлопья сохраняют свою фильтрационную способность и способность к слипанию, несмотря на их хрупкость. Это приводит к очевидному выигрышу в условиях потока, приемлемого для мембран.
Фильтрационные мембраны, обычно состоящие из расположенных рядом горизонтальных и/или вертикальных модулей, образуют комплекс, который вставляется в фильтрационную зону е. Фильтрация осуществляется либо с помощью насоса, не представленного на чертеже, создающего разрежение и всасывающего отфильтрованную воду, либо с помощью сифона или любого другого органа, позволяющего поддерживать разность давлений между стороной концентрата мембраны, погруженной в флотационную воду, и стороной отфильтрованной воды мембраны; причем разность давлений обеспечивает движущую силу, позволяющую воде проходить через мембрану.
Как будет показано ниже, в изобретении предлагается оборудование для осуществления способа флотации и фильтрации на мембранах.
Флотационная вода удаляется из установки по коллектору отфильтрованной погружными мембранами воды.
Выход флотированного шлама, собранного на поверхности, и отбор воды с уменьшенной концентрацией или для отмывания осуществляется в верхней части установки в общей коллекторной зоне, что облегчает конструкцию и упрощает ее работу. Кроме того, отбор воды с уменьшенной концентрацией и/или для отмывания позволяет осуществить удаление флотированного шлама, концентрация которого и физическое состояние препятствуют потоку, что вызывает необходимость использования воды для разбавления.
Опорожнение осуществляется таким образом, что оно касается, в первую очередь, зоны е мембранной фильтрации. Опорожнение зоны е, где размещены мембраны для ультрафильтрации и микрофильтрации, необходимо для осуществления операций отмывания, сопровождаемого опорожнением, химических моек мембран.
В такой конфигурации операции обслуживания могут быть выполнены независимо от функционирования зоны с флотации: зона е мембранной фильтрации разделена на множество отсеков, часть установленной мембранной поверхности может быть использована для операции обслуживания без нарушения функционирования оставшейся части блока.
Вторым объектом изобретения является совмещение систем регулирования процессом турбулентной флотации и мембранной фильтрации.
Выход флотоконцентрата из погружных мембран должен быть адекватен выходу флотационной зоны с. Для этого выход флотоконцентрата регулируется в функции от уровня воды на входе устройства. В частности, в фазе фильтрации небольшой остаток флотоконцентрата компенсируется избытком воды на уровне флотированного шлама, помогающим его удалению.
Для отмывания блока мембран нагнетают воду тангенциально мембранам для отрыва загрязнений мембран. Проход воды через установку поддерживается постоянным. Фракция флотационной воды, которая не проходит через мембраны и которая будет собрана в зоне коллектора, добавляется к отмывающей воде для уменьшения ее концентрации в мембранном отсеке и направляется снизу вверх. Грязная вода после отмывания удаляется через верхнюю часть установки. Уровень выходного сливного порога может быть постоянным или снабжаться системой регулирования, способной в зависимости от уровня возвращать искомый уровень.
В процессе опорожняющего отмывания мембранный блок изолируется от флотатора с настенным вентилем v с широким проходом, позволяющим осуществить селективное опорожнение мембранного блока. Выполненное таким образом отмывание позволяет осуществить лучшую деконцентрацию мембран и лучшее удаление отфильтрованного слоя.
Во время гидравлического удаления шлама проникающая способность мембран ограничена системой регулирования, позволяющей повысить уровень воды в устройстве и, таким образом, осуществить выведение разбавленного шлама.
Во время химической мойки мембранный блок изолируется от флотационного с настенным вентилем v.
При общем опорожнении установки мембранный блок и флотационная зона с опорожняются одновременно.
Исходя из конструкции устройства, поток в фильтрационной зоне е остается постоянно направленным вверх. При отмывании частицы, выходящие из наиболее загрязненных мембран, которые размещены вверху, из-за практически нулевой скорости флотационной воды вблизи поверхности не отлагаются повторно на более чистых частях.
Сгусток хлопьев, сформированный в отсеке турбулентной флотации, имеет две характеристики: с одной стороны, он хрупок, учитывая саму природу воды и необходимость исключения избытка загрязнений, которые были бы вредны мембранам в выходной зоне; с другой стороны, сформировавшись в зоне концентрации частиц (слой пузырьков), он легче фильтруется и слой, образованный на поверхности мембран, является более проницаемым для воды.
Сгусток хлопьев, осевший на фильтрационной мембране, представляет собой на этой стадии способа структуру, сохраняющуюся при всех воздействиях, связанных с нагнетанием, или сбросом воды, или любым другим способом сбора и гидравлического переноса. Время прохода сгустка хлопьев от зоны сепарации флотатора к зоне мембранной фильтрации составляет от 10 до 60 секунд, обычно 30 секунд.
Физически способность сгустка хлопьев сохраняться уменьшается по сравнению со сгустком, испытывающим изменения в структуре, например, в связи с распадением хлопьев при проходе по приспособлениям и переходам. Этот сгусток хлопьев со слабой способностью к заиливанию удерживается фильтрационной мембраной порогом отсечки последней. Этот сгусток хлопьев со слабой способностью к заиливанию образует, таким образом, фильтрационный осадок, соответствующий скапливанию частиц на поверхности фильтрационной мембраны с повышенной пористостью, характеризующийся более слабым сопротивлением проходу жидкости, такой как вода, и позволяющий, таким образом, использовать более мощный фильтрационный поток, обычно от +5 до +25%, типично от +10 до +20%.
Оборудование флотационной зоны с и фильтрационной мембранной зоны е позволяет оптимизировать способ фильтрации за счет возможности обеспечения промежуточной обработки воды с помощью коагулянта, CAP (ω-хлорацетофенона), полимера, кислоты или щелочи.
В случае простой коагуляции степень обработки коагулянтом может быть адаптирована к оптимуму вибрационного теста для улучшения характеристик флотационной способности сгустка хлопьев. Выполненная таким образом флотация является оптимальной по своим эксплутационным качествам. Следовательно, добавление новой дозы коагулянта между флотационной зоной с и фильтрационной зоной позволяет изменить характеристики сгустков, делая их более приспособленными к фильтрации на мембране (более слабое сопротивление осадка потоку воды, более легкое стекание осадка в процессе отмываний). Часто без влияния на качество получаемой отфильтрованной воды повторное добавление коагулянта позволяет лучше управлять мембранной фильтрацией и увеличить фильтрационный поток при уменьшении частоты химических моек.
В случае коагуляции при двух рН получаемым преимуществом является лучшее удаление органического материала. Специалистам известно, что коагуляция гумусовой и фульвеновой кислот, основных компонентов природных растворимых органических материалов, более эффективна в кислой среде. Основное ограничение рН связано с повышением растворимости ионов Fe и Al, ответственных за коагуляцию. В изобретение предлагается осуществлять коагуляцию при двух рН, кислотном рН в зоне флотации, позволяющей оптимально удалить органический материал, и немедленную коррекцию рН перед фильтрационными мембранами для осаждения остатка коагулянта, чтобы он мог быть задержан фильтрационной мембраной.
При окончательной коррекции рН для осуществления в воде известково-углеродного баланса после стадии фильтрации эта окончательная коррекция может быть осуществлена добавлением едкого натра (однако этот раствор приводит к значительному увеличению концентрации ионов натрия в обрабатываемой воде, при этом речь идет о дорогостоящем реактиве) или введением известкового молока, однако в последнем случае требует наличия в установке известкового сатуратора, дорогого и сложного в эксплуатации. Частичная коррекция рН между флотационной зоной с и мембраной путем добавления известкового молока предполагает осуществление дозировки известкового молока, так как мембраны способны задержать недожженную известь, хотя ионы кальция увеличивают фильтруемость осадка на фильтре.
Были проведены опытно-экспериментальные исследования для демонстрации эффективности нового способа очистки воды, объединяющего турбулентную флотацию растворенным воздухом и фильтрацию погружными мембранами.
Пример 1. Очистка поверхностной воды
Качество полученной в результате эксперимента технологической воды описано в нижеприведенной таблице. Исходя из ее данных, вода, взятая из водохранилища, характеризуется слабым помутнением, наличием органического материала (COT-UV) в повышенных концентрациях, цветущих водорослей, причем последние могут достигать концентраций в 50000 водорослей/мл.
Таблица 1-1
Параметры
Сырая вода
Флотированная вода
Ультрафильтрованная вода
Температура
1-10°С
1-10°С
1-10°С
Помутнение
0,5-2NTU
0,4-2,8 NTU
<0,1NTU
Общий органический углерод
5-8 мг/л
2,6-4,3 мг/л
2,3-4,0 мг/л
Абсорбция UV
8-12/m
6-8/m
4,5-5/m
Водоросли
2940-52800 водоросли/мл
523-2210 водоросли/мл
0 водоросли/мл
Рабочие характеристики воды приведены подробно в следующей таблице:
Таблица 1-2
Тип функционирования
Рабочие характеристики флотации*
Рабочие характеристики фильтрации на простой мембране**
Рабочие характеристики фильтрации с промежуточной очисткой**
Прямая фильтрация-поверхностная вода
25-30 л/ч/м<sup>2</sup>
Турбулентная флотация, затем мембранная очистка
20-30 м/ч
35-45 л/ч/м<sup>2</sup>
55-60 л/ч/м<sup>2</sup>
Изобретение: совмещение турбулентной флотации и мембранной очистки
25-45 м/ч
40-60 л/ч/м<sup>2</sup>
60-70 л/ч/м<sup>2</sup>
*Скорость флотации в м<sup>3</sup>/м<sup>2</sup>/ч
**Фильтрационный поток в л/ч/м<sup>2</sup> при температуре фильтрации
Пример 2. Предварительная очистка при открытом заборе морской воды
Качество воды, питающей опытно-экспериментальную установку, показано в следующей таблице:
Таблица 2-1
Параметры
Сырая вода
Флотированная вода
Ультрафильтрованная вода
Температура
30-36°С
32-37°С
32-38°С
Помутнение
0,2-10,5 NTU
0,5-2,2 NTU
<0,1NTU
Индекс заиливания
10-28
-
1,4-3,6
(SDI)
Абсорбция UV
0,8-1,2/m
0,6-0,9/m
0,5-0,8/m
Теплопроводность
55-56 мс/см
55-56 мс/см
55-56 мс/см
Рабочие характеристики воды приведены подробно в следующей таблице:
Таблица 2-2
Тип функционирования
Рабочие характеристики флотации*
Рабочие характеристики мембранной фильтрации**
Прямая фильтрация-поверхностная вода
20-30 л/ч/м<sup>2</sup>
Турбулентная флотация, затем мембранная очистка
25-35 м/ч
45-55 л/ч/м<sup>2</sup>
Изобретение: совмещение турбулентной флотации и мембранной очистки
30-45 м/ч
50-65 л/ч/м<sup>2</sup>
*Скорость флотации в м<sup>3</sup>/м<sup>2</sup>/ч
**Фильтрационный поток в л/ч/м<sup>2</sup>
Пример 3
Качество воды, питающей опытно-экспериментальную установку, приведено в следующей таблице: это исследование показывает использование изобретения при третичной обработке муниципальных сточных вод.
Таблица 3-1
Параметры
Сырая вода
Флотированная вода
Ультрафильтрованная вода
Количество кислорода, потребляемого после 5 дней инкубационного периода (DBO5)
22 мг/л
16 мг/л
11 мг/л
Химическая потребность в кислороде (DCO)
54 мг /л
39 мг/л
30 мг/л
Взвесь материалов
18 мг/л
9 мг/л
0 мг/л
Прозрачность
55%
70%
80%
Р-РO4 (фосфор в состоянии фосфатов)
3 мг/л
1 мг/л
<0,1 мг/л
Рабочие характеристики воды приведены подробно в следующей таблице.
Таблица 3-2
Тип функционирования
Рабочие характеристики флотации*
Рабочие характеристики мембранной фильтрации**
Прямая фильтрация-поверхностная вода
15-25 л/ч/м<sup>2</sup>
Турбулентная флотация с последующей мембранной очисткой
20-25 м/ч
25-40 л/ч/м<sup>2</sup>
Изобретение: совмещение
25-45 м/ч
40-65 л/ч/м<sup>2</sup>
турбулентной флотации и мембранной очистки
* Скорость флотации в м<sup>3</sup>/м<sup>2</sup>/ч
** Фильтрационный поток в л/ч/м<sup>2</sup> при температуре фильтрации
В заключение, устройство по изобретению позволяет получить:
- уменьшение площади основания и стоимости установок путем совместного использования структур и оборудования,
- общее управление различными этапами способа, приводящее к упрощению регулирования, и
- улучшение гидравлических рабочих характеристик отсеков флотации и мембранной фильтрации: улучшение комплексного способа очистки, связанного со специфическими гидравлическими условиями, вызванного таким совмещением, позволяющим уменьшить необходимую мембранную поверхность.
В трех детально описанных выше случаях опытно-экспериментальные исследования позволили проанализировать компактность системы по сравнению с системой прямой фильтрации и по сравнению с простым расположением рядом установок для флотации растворенным воздухом и мембранной фильтрации. Эта компактность связана с использованием оборудования, общего для обоих способов, и с улучшением рабочих характеристик каждого из этапов обработки по сравнению с расположенными рядом системами.