Очистка сточных вод и оборотное водоснабжение прачечных предприятий

Д. В. Павлов, канд. техн. наук, руководитель отдела, Технопарк РХТУ им Д. И. Менделеева

С. О. Вараксин, канд. техн. наук, директор, Технопарк РХТУ им Д. И. Менделеева

В. А. Колесников, д-р техн. наук, профессор, ректор РХТУ им. Д. И. Менделеева

В статье рассмотрено применение наилучших доступных технологий очистки сточных вод прачечных предприятий и производств моющих средств, а также особенности построения очистных сооружений на их основе.

Последние годы проблема создания водооборота на предприятиях Российской Федерации стоит особенно остро. Повышение цен на водопотребление и водоотведение заставляет предприятия лихорадочно искать способы обеспечения рентабельности производств. При этом в различных технологических циклах требования к качеству оборотной воды различны. Соответственно и рынок производителей и поставщиков систем оборотного водоснабжения для получения воды высокого качества развивается довольно стремительно.

Промышленная стирка характеризуется несколькими параметрами: большой загрузкой оборудования и сложным циклом стирки. Как правило, цикл стирки содержит пять моющих этапов и последующее отбеливание. Затем следует до четырех полосканий с последующей промывкой, включающей мягкую кислоту для удаления щелочности и остатков отбеливателя. Кроме того, промывка удаляет карбонат кальция, накапливающийся из-за жесткости воды, который может приводить к выцветанию ткани и оставлять мелкий порошок. В процессе моющих этапов используются анионные (например, линейный алкилбензосульфонат), либо неионогенные (этоксилаты спиртов или фенолов) ПАВ. Мыла по-прежнему используются в промышленной стирке, но существенно меньше.

Обычно температура стирки около 80 °C, что ограничивает выбор неионогенных мягчителей из-за появления точек помутнения. Ведется разработка новых процессов стирки, позволяющих снизить температуру, расширяя, таким образом, использование неионогенных ПАВ. Долгое время высокие температуры и щелочная среда рассматривались как обязательный атрибут стирки в основном из-за широкого использования хлопка и мыла. С лучшими ПАВ, которые обладают усиленным действием и при пониженных температурах, подход к теоретическим и практическим вопросам стирки изменился.

Серьезной проблемой промышленной стирки является устойчивость к отбеливателям. Хлор здесь, как правило, применяется в более значительных концентрациях и при более высоких температурах, чем в бытовых условиях, и ПАВ должны их выдерживать. Пероксидные отбеливатели используются в сочетании с силикатом натрия, выступающим в качестве стабилизатора. Такой состав не влияет на действие ПАВ – силикат лишь способствует размельчению порошка при стирке.

Все более широкое применение при стирке находят ферменты. Пятна крови и масла часто присутствуют на больничных тканях и спецодежде. Для их удаления применяют липазы и протеазы. Использование ферментов предполагает строгий контроль над условиями, включая рН, температуру и ионную силу раствора – это предотвращает их дезактивацию. Подобные ограничения способствуют использованию более мягких реагентов, например, неионогенных ПАВ и пероксидных отбеливателей [1].

Таким образом, основными загрязнителями сточных вод прачечных предприятий являются: взвешенные вещества, анионные и неионогенные ПАВ, соли жесткости, а в отдельных случаях красители и нефтепродукты. Следовательно, на первом этапе необходимо удалить взвешенные вещества и нефтепродукты методом флотации; на втором удалить остаточные взвешенные нерастворимые частицы размером более 5 мкм методом фильтрации; на третьем этапе удалить растворимые органические вещества и соли жесткости методом нанофильтрации. Данное техническое решение дает возможность получить очищенную воду высокого качества для повторного использования.

Для прачечных предприятий и производств моющих средств специалистами Технопарка РХТУ им. Д. И. Менделеева разработаны и запущены в производство модульные установки очистки воды (МУОВ). Их преимущества – компактность, надежность в эксплуатации, простота монтажа и обслуживания, автоматизация, минимальные эксплуатационные затраты. В ходе разработки технологий очистки сточных вод применяются компьютерное моделирование и лабораторные испытания на пилотных установках с использованием модельных растворов.

Технологическая схема очистки сточных вод и оборотного водоснабжения прачечных предприятий с применением комбинирования флотации и нанофильтрации представлена на рис. 1.

Рисунок 1 (подробнее)   Технологическая схема очистки сточных вод и оборотного водоснабжения прачечной Р – реактор; Е – накопительные емкости и усреднители; Н – насосы Д/НД – станция приготовления и дозирования реагентов; ФММ –флотатор; К – компрессор; МФ – механический фильтр; НФ – установка нанофильтрации

В соответствии со схемой сточные воды поступают в реактор-смеситель Р1, где производится их усреднение и обработка коагулянтом для интенсификации флотационного процесса. Дозирование раствора коагулянта осуществляется насосом-дозатором НД1 из дозатора Д1. Перемешивание среды в реакторе Р1 осуществляется с помощью лопастной мешалки.

Из реактора-смесителя Р1 обработанные сточные воды самотеком поступают на флотатор, в котором происходит извлечение не менее 98 % взвешенных веществ и 40–60 % сорбирующихся на них органических веществ [2]. Во флотаторе в зависимости от его модификации:

• в результате протекания электролиза воды на нерастворимых электродах происходит насыщение воды микропузырьками электролитических газов дисперсностью 10–70 мкм, которые транспортируют загрязнения на поверхность воды [2]. Образующийся пенный слой (флотоконцентрат) периодически удаляется автоматическим пеносборным устройством с поверхности жидкости в сборник-фильтр Е4;
• в результате пропускания воздуха под давлением через пористые материалы (керамические мембраны), происходит насыщение воды микропузырьками воздуха, которые транспортируют загрязнения на поверхность воды. Присутствие ПАВ в растворе обеспечивает получение пузырьков воздуха малого диаметра 100–150 мкм и отсутствие их коалесценции. Кроме того, процесс флотации с диспергированием воздуха через пористые материалы имеет более низкие энергозатраты [3]. Флотоконцентрат аналогичным образом удаляется в сборник-фильтр.

Флотоконцентрат является полностью биоразлагаемым и, следовательно, подлежит стандартным методам утилизации по мере накопления.

Осветленная вода из флотатора самотеком поступает в накопительную емкость Е1, откуда насосом Н1 подается на доочистку на механический фильтр 5–20 мкм. Фильтр Ф1 периодически промывается обратным током со сбросом загрязнений в реактор Р1.

Очищенная от взвешенных веществ вода из фильтра поступает в накопительную емкость Е2, откуда насосом Н2 подается на установку нанофильтрации НФ для удаления ПАВ и молекул загрязняющих веществ массой более 200 Dalton, а также удаления солей жесткости (умягчения воды) перед ее возвратом на повторное использование.

Наибольшим достоинством нанофильтрации является снижение не только жесткости, но и щелочности, солесодержания, а также удаление механических, органических и биологических загрязнений при отсутствии необходимости использования реагентов и проблем с солевыми стоками при относительно простой схеме. В очищенной воде отсутствуют бактерии и вирусы, микрозагрязнения и хлорорганика, уменьшены жесткость и содержание сульфатов. При этом установки, базирующиеся на традиционных технологиях, для получения близкого эффекта должны включать несколько стадий очистки [4].

На рис. 2. представлена установка нанофильтрации номинальной производительностью 2 м³/ч. Установка включает в себя: узел микрофильтрации 5 мкм, мембранные модули, насос высокого давления, КИПиА, трубопроводы и фитинги.

Рисунок 2. Установка нанофильтрации МУОВ для очистных сооружений прачечной

Предварительно очищенная от взвешенных частиц вода поступает на насос мембранной установки. Под давлением, значение которого рассчитывается в зависимости от типа используемых НФ-элементов, вода проходит через мембранные модули, в которых происходит разделение исходного потока на фильтрат (пермеат) и концентрат.

Основные характеристики рулонных нанофильтрационных элементов различных производителей представлены в табл. 1.

Данная конструкция мембранной установки построена с использованием 6 мембранных элементов НФ (NF) типоразмера 4040, размещенных в прочных корпусах из стеклопластика FRP. Стеклопластиковые аппараты предназначены для непрерывного, долгосрочного использования в качестве корпусов для нанофильтрационных и обратноосмотических мембран и рассчитаны на давления от 20 до 70 бар для 4-дюймовых элементов, а также от 10 до 80 бар для 8-дюймовых элементов.

Мембранные элементы включены параллельно по фильтрату и последовательно по концентрату. Такое решение позволяет значительно повысить выход фильтрата и сократить объем концентрата. Концентрат частично сбрасывается в дренаж, при этом другая его часть подается обратно на вход насоса высокого давления по магистрали рециркуляции. Организация рециркуляции дает возможность дополнительно экономить 10–15 % дорогостоящей воды, благодаря вторичному использованию концентрата. Кроме того, присутствие в воде анионных поверхностно-активных веществ способствует очистке поверхности полупроницаемых мембран от органических загрязнений, восстановлению их первоначальной производительности, продлевает время между регенерациями мембран растворами реагентов (лимонной кислоты и гидросульфита натрия), продлевает срок службы нанофильтрационных элементов.

В итоге концентрат НФ, 15–20 % от исходного потока воды, поступает на сброс в канализацию. На финишном этапе для деструкции загрязненных ПАВ, содержащихся в концентрате, перед сбросом в канализацию возможна установка озонатора, но данное техническое решение является нерентабельным как по капитальным, так и по эксплуатационным затратам.

Фильтрат НФ, 80–85 % от исходного потока воды, собирается в накопительной емкости Е3 и подается насосом Н3 на повторное использование в процессе стирки.

Разработка и внедрение опытно-промышленного производства мембранных установок на основе отечественных и зарубежных композитных нанофильтрационных мембран, имеющих высокую селективность по ПАВ и солям жесткости, 90 % и более, делает их весьма привлекательными для удаления веществ с молекулярной массой более 200 Dalton.

В табл. 2 представлены среднестатистические данные по селективности рулонных фильтрующих НФ-элементов, полученные обобщением показателей большого числа эксплуатируемых различных нанофильтрационных установок [5].

Представленные данные свидетельствуют о получении воды высокого качества для оборотного водоснабжения, как прачечных предприятий, так и производств моющих средств.

В настоящее время специалистами РХТУ им. Д. И. Менделеева ведется разработка и пилотные испытания аналогичных систем водоочистки для объектов ЖКХ, энергетического комплекса и фармацевтической промышленности. При этом по уровню капитальных и эксплуатационных затрат разрабатываемые технологии в области оборотного водоснабжения и очистки сточных вод в 1,5–2,2 раза дешевле современных зарубежных аналогов.

Выводы

1. Представлено описание проекта системы очистки сточных вод и оборотного водоснабжения прачечных предприятий и производств моющих средств различной производительности, выполненного на базе многолетних научных разработок, патентов и изобретений.
2. Показано, что применение установок нанофильтрации дает возможность получения оборотной воды высокого качества и обеспечивает сокращение водопотребления предприятия на 80–85 % при низких эксплуатационных затратах.
3. Использование комбинации флотации с диспергированием воздуха через микропористые материалы и нанофильтрации позволяет предприятиям отказаться от предварительного обезжелезивания и умягчения воды на соответствующих фильтрах, а также перейти с городской на артезианскую воду. При этом повышается рентабельность производства без ухудшения качества промышленной стирки либо производимых моющих средств.
4. Благодаря модульности исполнения возможно наращивать производительность очистных сооружений в случае расширения производственных мощностей предприятия, без замены существующего оборудования.

Литература

1. Ланге К. Р. Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ, применение / Под науч. ред. Л. П. Зайченко. СПб., 2004.
2. Колесников В. А., Капустин Ю. И. и др. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий / Под ред. В. А. Колесникова. М., 2007.
3. Павлов Д. В. Интенсификация и повышение эффективности электрофлотомембранного процесса очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов: автореферат М., 2010.
4. Рябчиков Б. Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. М., 2004.
5. Дзюбенко В. Г., Кондрашов А. С. Мембранные технологии в программе «Чистая Вода» // Водоснабжение и канализация. 2010. № 1–2.