Доочистка сточных вод от взвеси микрофильтрацией на дисковых фильтрах с плоским и объемным фильтрованием

М. В. Кевбрина¹, Д. В. Гаврилов², Н. А. Белов³, А. М. Агарев⁴

¹ Кевбрина Марина Владимировна, кандидат биологических наук, начальник отдела очистки сточных вод, Инженерно-технологический центр Управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал»
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: +7 (499) 263-93-50, e-mail: kevbrina_mv@mosvodokanal.ru

² Гаврилов Дмитрий Валерьевич, начальник Управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал»
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: +7 (499) 263-93-64, e-mail: gavrilov_dv@mosvodokanal.ru

³ Белов Николай Анатольевич, начальник отдела – главный технолог Управления канализации, АО «Мосводоканал»
105005, Россия, Москва, Плетешковский пер., 4, тел.: +7 (499) 263-93-94, e-mail: belov_na@mosvodokanal.ru

⁴ Агарев Антон Михайлович, начальник Инженерно-технологического центра Управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал»
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: +7 (499) 263-16-51, e-mail: agarev_am@mosvodokanal.ru

В АО «Мосводоканал» проведены испытания пилотной установки микрофильтрации на базе дискового фильтра с тканевым фильтрополотном, предоставленной АО «НПК Медиана-Фильтр», для доочистки биологически очищенной воды от взвешенных веществ. Использование дисковой микрофильтрации с тканевым фильтрополотном (объемный тип фильтрации) позволяет доочистить биологически очищенную сточную воду от взвешенных веществ до 4 мг/л при использовании тканевого фильтрополотна типоразмером «10 мкм» и до 2 мг/л при использовании тканевого фильтрополотна типоразмером «5 мкм». При скорости фильтрации 8,5 м/ч, расход промывной воды составил 0,7-1,4 % от расхода воды на установку для ткани типоразмера «10 мкм» и 5,8-6,8 % для типоразмера «5 мкм». При удалении взвешенных веществ в составе взвеси так же происходит удаление ХПК, БПК5, общих азота и фосфора. Установки с объемным типом микрофильтрации являются аналогами установок с плоскостным типом микрофильтрации и могут использоваться для достижения высокого качества доочистки биологически очищенной воды от взвешенных веществ.

Ключевые слова: взвешенные частицы, очистка сточных вод, сетчатая микрофильтрация, дисковый фильтр, фильтроткань, ворсо-волоконная фильтроткань.

Доочистка биологически очищенных сточных вод от взвешенных веществ является часто встречаемым условием при строительстве новых и реконструкции старых сооружений очистки. При этом цели, которые преследует данная технология, могут сильно различаться. Например, ультрафиолетовое обеззараживание сточных вод предъявляет жесткие требования к концентрации взвеси в воде. То же можно сказать и о химическом обеззараживании. Бурный рост во всем мире претерпевает вторичное использование сточных вод, что предполагает глубокую доочистку от взвешенных веществ. Кроме этого, концентрация взвешенных веществ является одним из основных нормируемых показателей очищенной сточной воды, сбрасываемой в водоемы. В связи с этим на рынке очистного оборудования представлен широкий выбор современных технологий фильтрации. Одной из таких технологий является микрофильтрация на дисковых фильтрах, широко применяемая в мировой практике и характеризующаяся высокой производительностью, надежностью, экономичностью, низкой потребностью в количестве промывной воды (1-3% от объема фильтрата). Такие фильтры работают по принципу плоского (в случаях сетчатых фильтров) и объемного (в случае ворсо-волоконных тканевых фильтров) фильтрования.

В АО «Мосводоканал» на Курьяновских очистных сооружениях в 2014 году проводились работы по изучению микрофильтрации биологически очищенной воды на пилотной установке с дисковым микрофильтром DynaDisc (Nordic Water Products AB, Швеция) [1]. Данный микрофильтр работал по принципу плоскостного фильтрования. Фильтрация проходила через полиэфирную сетку двух типоразмеров с диаметром пор 10 и 18 мкм, с площадью фильтрующей поверхности 2,8 м², с расходом воды 14 – 24 м³/час, гидравлическая нагрузка составляла 5 – 15 м/час. Было показано, что использование дисковой микрофильтрации позволяет доочистить биологически очищенную сточную воду от взвешенных веществ до 4 мг/л при использовании сит с порами 18 мкм и до 3 мг/л при использовании сит с порами 10 мкм. Дозирование флокулянта в количестве 1,0 мг/л позволяло улучшить качество фильтрата до концентрации взвеси 1,0 мг/л при использовании сита с порами 18 мкм и до 0,5 мг/л при использовании сита с порами 10 мкм. Оптимальными эксплуатационными характеристиками работы фильтра Dyna Disc при доочистке биологически очищенной сточной воды были определены следующие: для сит 18 мкм скорость фильтрации – 10-12 м/ч при расходе промывной воды 0,5-0,7% от производительности установки; для сит 10 мкм скорость фильтрации – 10-12 м/ч, расход промывной воды – 0,8-1,2%. Количество взвешенных веществ в промывной воде составляло 0,5 г/л при использовании сит с порами 10 мкм и 1,4 г/л при использовании сит с порами 18 мкм.

На основании выше приведенных результатов успешных испытаний в АО «Мосводоканал» технология дисковой микрофильтрации была внедрена на реконструированных очистных сооружениях поселков Птичное с производительностью 4000 куб.м/сут и Киевский с производительностью 6000 куб.м/сут (ТиНАО, г. Москва). Средняя концентрация взвешенных веществ в биологически очищенной воде после вторичных отстойников этих очистных сооружений перед входом на блок доочистки с дисковыми фильтрами составляет 11-12 мг/л; при этом содержание взвешенных веществ в очищенной воде, выходящей из фильтров дисковой микрофильтрации с диаметром пор 10 мкм, не превышает 3,5 мг/л. Внедрение технологии дисковой микрофильтрации обеспечило глубокую доочистку и стабильное качество очищенных сточных вод, соответствующее нормативам на сброс в водоем рыбохозяйственного назначения.

Последнее время появилось новое направление в дисковой микрофильтрации – использование ворсо-волоконной ткани с объемным принципом фильтрования: микроволокна фильтроткани, расположенные определенным образом, под действием напора воды плотно прижимаются, создавая мелкие поры (до 5 - 10 мкм), позволяющие удерживать взвесь. В объемном фильтровании взвесь удерживается не только на поверхности фильтра как при плоском фильтровании, но и в его объеме, увеличивая эффективность задержания взвеси. Необходимо отметить, что по заявлению фирм-производителей тканевый фильтр в отличие от сетчатого микрофильтра полностью погружен в воду и фильтрование проходит полной поверхностью, что обуславливает его более высокую производительность и, соответственно, меньшие габариты (на 30%), что имеет большое значение в масштабах реконструкции сооружений большой производительности. Принцип объемного фильтрования реализован в фильтровальных установках, предлагаемых компаниями Nordic Water Products AB (Швеция), Huber Technology (Германия), Mecana Umwelttechnik GmbH (Швейцария). В России фирма АО «НПК Медиана-Фильтр» производит установки дисковой микрофильтрации с использованием аналогов фильтро-ткани Mecana Umwelttechnik GmbH.

В настоящей работе рассмотрены результаты промышленных испытаний технологии микрофильтрации на дисковых фильтрах на Курьяновских очистных сооружениях (КОС) для доочистки биологически очищенной сточной воды от взвешенных веществ на пилотной установке дисковой микрофильтрации с тканевым фильтрополотном АО «НПК Медиана-Фильтр» (Россия).

Фильтрующая возможность установки сопоставима по своей производительности с фильтрами с порами до 10 микрон, однако фильтрующая поверхность за счет своей структуры волокон способна удерживать и более мелкие частицы (до 5 мкм) по мере нарастания на фильтрующей поверхности более крупных конгломератов микроорганизмов и взвешенных веществ. В данном типе фильтрополотна реализован принцип объемного фильтрования. Схема установки и внешний вид приведены на рисунках 1, 2.

Вода, подлежащая фильтрованию, в самотечном режиме поступала в фильтр и проходила от внешней стороны диска во внутреннюю через тканевое полотно. Взвешенные и другие загрязняющие вещества накапливались на внешней стороне ткани, и уровень воды внутри фильтра начинал расти. Процесс обратной промывки запускался датчиком уровня воды. Во время процесса обратной промывки диск вращался, а твердые частицы удалялись всасыванием насоса. Собранные загрязнения отводились через систему сбора взвесей. Во время обратной промывки, установка работала без остановки фильтрации. Твердые вещества, которые оседали на дне резервуара, накапливались и выгружались насосом в заданные циклы. Во время процесса сброса осадка, установка работала без остановки фильтрации. Площадь фильтрации – 2 м². Использовалась фильтроткань двух типов – «10 мкм» и «5 мкм». Испытания поводились при двух расходах - 17 м³/ч (гидравлическая нагрузка или скорость фильтрации 8,5 м/ч) и 10 м³/час (скорость фильтрации 5 м/ч).

Испытания пилотного фильтра АО «НПК Медиана-Фильтр» с тканевым фильтрополотном проводились в течение 2-х недель в марте 2022 года на биологически очищенной воде (после вторичных отстойников) старого блока Курьяновских очистных сооружений. Об эффективности фильтрации судили по снижению концентрации взвешенных веществ. Дополнительно контролировалось содержание БПК, ХПК, общих азота и фосфора. Для определения эффективности фильтрации при возможных залповых сбросов взвеси проводились эксперименты по имитации залпового сброса. Для этого в емкость фильтра добавляли избыточный активный ил до достижения концентрации 200-600 мг/л.

На фильтроткани «10 мкм» при расходе воды 17 м³/час фильтроцикл составлял 2 часа, время промывки - 1 минута. Расход воды на промывку фильтра с тканевым фильтрополотном составлял 1,4 % от расхода воды на фильтр (таблица). Во время фильтроцикла при концентрации взвешенных веществ на входе 9,1 – 14, 1 мг/л на выходе поддерживается концентрация 3,4 – 5,2 мг/л (рис. 3). Эффективность задержания взвеси выше 70%. Видно, что существенных проскоков по взвешенным веществам во время фильтроцикла нет. При уменьшенном расходе 10 м³/час фильтроткань смогла поддерживать стабильную концентрацию взвешенных веществ не выше 2,8 мг/л при входной концентрации до 13,3 мг/л. Уменьшение гидравлической нагрузки привело к снижению частоты промывок и, как следствие, к уменьшению расхода промывной воды до 0,7% от расхода воды на фильтрацию. При использовании фильтроткани «5 мкм» эффективность задержания взвеси была выше и в отфильтрованной воде концентрации взвешенных веществ не превышали 2 мг/л при расходе 17 м³/час и 0,7 мг/л при снижении расхода до 10 м³/час. При этом происходило снижение длительности фильтроцикла до 50 минут и, как следствие, увеличение числа промывок и расхода промывной воды до 5,8 – 6,8 % от расхода воды на фильтрацию.

Таблица.

При удалении взвешенных веществ в составе взвеси так же происходит удаление ХПК, БПК5, общих азота и фосфора. При удалении взвешенных веществ на 85% достигается удаление ХПК на 39%, БПК5 на 61%, общего фосфора на 37%, общего азота до 8%. Иными словами, снижение взвешенных веществ на 10 мг/л приводит к снижению ХПК на 12 мг/л, БПК₅ на 3 мг/л, общего фосфора на 0,12 мг/л, общего азота на 0,35 мг/л.

При имитации залпового сброса при работе фильтра с фильтрополотном «10 мкм» и расходе 17 м³/час концентрация взвешенных веществ поднималась до 312 мг/л. На рисунке 4 видно, что при таком расходе воды высокая концентрация ила держится в емкости фильтра не более 10 минут. При такой высокой нагрузке по взвешенным веществам начинают включаться частые промывки фильтрополотна (до 5 промывок в течение 10 минут), затем, когда концентрация взвешенных веществ в емкости фильтра падает, частота промывок возвращается к исходным значениям в обычном режиме работы. Показательно, что фильтроткань способна удерживать концентрацию взвешенных веществ в отфильтрованной воде во время пиковой нагрузки не выше 7,2 мг/л. При использовании фильтроткани «5 мкм» и расходе 17 м³/час концентрация взвешенных веществ в отфильтрованной воде при имитации залпового сброса не превышала 3,2 мг/л.

Таким образом, для достижения концентрации взвешенных веществ не выше 5мг/л (оптимальная концентрация для работы ультрафиолетовых ламп для обеззараживания очищенной воды) фильтрующая ткань «10 мкм» является оптимальной. По сравнению с тканью «5 мкм» при использовании такни «10 мкм» количество промывной воды ниже (0,7-1,4% по сравнению с 5,8-6,8%), ниже число промывок и, соответственно, ниже затраты электроэнергии на работу насосов. Данная фильтроткань при залповых сбросах в состоянии удерживать в отфильтрованной воде концентрацию взвешенных веществ не выше 7 мг/л.

Сравнение полученных результатов с данными, полученными ранее для установки с дисковым микрофильтром DynaDisc на полиэфирной сетке в диаметром пор 10 мкм [1], показывает, что пилотная установка дисковой микрофильтрации АО «НПК Медиана-Фильтр» с тканевым фильтрополотном типоразмером «10 мкм» работает аналогично со схожими результатами. Микрофильтр DynaDisc с сеткой с диаметром пор 10 мкм очищал воду до концентрации взвешенных веществ 3 мг/л, микрофильтр с тканевым фильтрополотном типоразмером «10 мкм» - 4 мг/л. При этом расход промывной воды составлял для микрофильтра DynaDisc 0,8-1,2 % от расхода воды на фильтрацию, для микрофильтра с тканевым фильтрополотном – 0,7-1,4%. Таким образом, установки с плоскостным типом фильтрации и с объемным типом фильтрации являются аналогами и могут использоваться для достижения одних и тех же целей.

Выбор того или иного типа микрофильтрации будет зависеть от технических условий конкретного места расположения оборудования, имеющихся условий эксплуатации, длительностью жизненного цикла оборудования, технико-экономических и стоимостных показателей для каждого конкретного объекта.

Выводы.

В испытаниях пилотной установки, предоставленной АО «НПК Медиана-Фильтр», использование дисковой микрофильтрации с тканевым фильтрополотном (объемный тип фильтрации) позволило доочистить биологически очищенную сточную воду от взвешенных веществ до 4 мг/л при использовании тканевого фильтрополотна типоразмером «10 мкм» и до 2 мг/л при использовании тканевого фильтрополотна типоразмером «5 мкм».

Эксплуатационные характеристики работы установки: скорость фильтрации 8,5 м/ч, расход промывной воды 0,7-1,4 % от расхода воды на установку для ткани типоразмера «10 мкм» и 5,8-6,8 % для типоразмера «5 мкм».

При удалении взвешенных веществ в составе взвеси так же происходит удаление ХПК, БПК₅, общих азота и фосфора. Снижение взвешенных веществ на 10 мг/л приводит к снижению ХПК на 12 мг/л, БПК₅ на 3 мг/л, общего фосфора на 0,12 мг/л, общего азота на 0,35 мг/л.

Установки с объемным типом микрофильтрации являются аналогами установок с плоскостным типом микрофильтрации и могут использоваться для достижения высокого качества доочистки биологически очищенной воды от взвешенных веществ. Для установки дисковой микрофильтрации АО «НПК Медиана-Фильтр» с тканевым фильтрополотном (объемный тип фильтрации) в пилотных испытаниях были получены результаты, аналогичные полученным ранее на установке с дисковым микрофильтром DynaDisc (Nordic Water Products AB, Швеция) на полиэфирной сетке (плоскостной тип фильтрации).