29.04.2020
Umwelttechnik

Косметическое производство без сброса сточных вод

Модернизация очистных сооружений до системы с нулевым сбросом жидких стоков

Полностью избежать сброса сточных вод в промышленности не удаётся в основном из-за низкого качества рециркулируемой воды и из-за сложностей в обслуживании. Однако, очистные сооружения сточных вод одной из косметических компаний были модернизированы так, что концепция нулевого сброса (ZLD) стала реальностью.

Пресная вода становится дефицитом не только в засушливых регионах, но и в регионах с достаточным количеством осадков. Вот почему на протяжении многих лет активно прорабатываются схемы получения и рециркуляции воды из промышленных стоков.  Одним из основных вызовов является достижение требуемого для оборотного водоснабжения качества рециркулируемой воды. В большинстве случаев это достигается за счёт использования систем обратного осмоса, который имеет побочный продукт с высоким содержанием солей – концентрат. Его утилизация, как правило, обходится дорого и становится тем сложнее, чем больше воды необходимо рециркулировать и чем больше концентрата нужно будет утилизировать.

Чтобы оптимизировать рециркуляцию воды, с одной стороны и сократить объёма концентрата, с другой стороны, была разработана схема, целью которой является предотвращение сброса стоков с промышленной площадки. А точнее, эта концепция предусматривает повторное использование всех очищенных сточных вод и перевод загрязняющих веществ в твёрдую фазу, которая подлежит утилизации (т.н. схема ZLD или «Система нулевого сброса»).

Несмотря на то, что концепция ZLD хорошо описана и является предметом обсуждения последних десятилетий, по всему миру существует не так уж много промышленных площадок, где она была бы реализована. И на это имеется множество причин, например, достижение определенного баланса между технологией очистки стоков и эксплуатацией очистных сооружений. Вода для дальнейшего использования, как правило, должна соответствовать строгим нормативам, но в то же время, использование ZLD приводит к всё бόльшей концентрации загрязняющих веществ. И чем более высокой будет концентрация, тем сложнее эксплуатация таких сооружений и тем ниже будет качество очищенной воды. Вот почему так важно соблюсти баланс между наилучшим возможным качеством очищенной воды и постоянным концентрированием стока в условиях беспрерывной работы очистных сооружений.

Готовые ZLD сооружения с биореакторами (на заднем плане) и контейнерами для ультрафильтрации и обратного осмоса (на переднем плане). 

Готовые ZLD сооружения с биореакторами (на заднем плане) и контейнерами для ультрафильтрации и обратного осмоса (на переднем плане).

Модернизация очистных сооружений с целью рециркуляции воды

На этом фоне для международной косметической компании была разработана схема рециркуляции воды, которая затем была преобразована в схему ZLD. Первоначально на площадке имелись обычные очистные сооружений для очистки смешанных производственных сточных вод, рассчитанные на производительность около 7 м³/ч. Поскольку качество очищенного стока не отвечало требованиям индустриального парка, в котором расположено производство, перед WEHRLE  поставили задачу модернизации очистных сооружений с внедрением технологии  мембранного биореактора (МБР), а также увеличение производительности сооружений вдвое до 14,6 м³/ч с учётом будущего расширения производства.  Кроме того, для рециркуляции воды была предусмотрена установка одноступенчатого обратного осмоса (ОО1) производительностью 8 м³/ч (по желанию заказчика) с возможностью дальнейшего расширения. Предложенная технологическая схема убедила клиента и стала решающим фактором в выборе ZLD технологии для дальнейшей модернизации, что позволило производству стать независимыми от местных коммунальных очистных сооружений. Две дополнительные ступени обратного осмоса (изображение 2) позволяют получить наиболее чистый пермеат и максимально насытить солями концентрат перед тем, как он попадёт на дальнейшее сгущение в испарителе. Мембранные установки (ультрафильтрация, как неотъемлемая часть МБР, и обратный осмос) были смонтированы в контейнерах и доставлены клиенту в готовом к пуско-наладке виде (изображение 1). 

Компания WEHRLE обеспечила всестороннюю поддержку заказчику после завершения строительства и введения в эксплуатацию установки в течение полугода. Это позволило нам убедиться, что процесс очистки работает успешно и стабильно.

Одна лишь гидравлическая нагрузка требовала тщательного наблюдения, т.к. в среднем за период наблюдений на очистку поступало от 4 до 6 м3/ч, хотя очистные сооружения были изначально рассчитаны на гораздо бόльшую производительность (МБР на 14,6 м3/ч, ОО – 8 м3/ч).  На практике это привело к постоянной приостановке оборудования, что является возможным технически, однако, с точки зрения технологического процесса нежелательно и ведёт к более высокому механическому напряжению компонентов.  

Также поток подачи на установку обратный осмос (т.е. выход после МБР, т.н. пермеат УФ) имел более высокое солесодержание, нежели это было учтено при расчётах ZLD сооружений. Тем не менее, количество и качество очищенной воды для рециркуляции в период наблюдений превзошли расчётные показатели: объём очистки на ОО1 составил 80% вместо запланированных 70%. Качество пермеата, полученного из первых двух ступеней обратного осмоса ОО1 и ОО2, намного выше чем то, которое было необходимо заказчику (см. изображение 3). Такие результаты только подтверждают правильность внедрения схем рециркуляции и нулевого сброса стоков (ZLD), так как с их помощью открываются новые возможности для повторного использования промышленных сточных вод.

Схема ZLD процесса
Схема ZLD процесса
Технологическая цепочка ZLD сооружений, а также процентное соотношение конечных продуктов, покидающих процесс очистки 
Технологическая цепочка ZLD сооружений, а также процентное соотношение конечных продуктов, покидающих процесс очистки
 
концентраты, полученные в ходе различных технологических этапов очистки, начиная от пермеата УФ (слева) до концентрата из испарителя (справа) 

концентраты, полученные в ходе различных технологических этапов очистки, начиная от пермеата УФ (слева) до концентрата из испарителя (справа)

Технологическая цепочка ZLD сооружений, а также процентное соотношение конечных продуктов, покидающих процесс очистки 
Технологическая цепочка ZLD сооружений, а также процентное соотношение конечных продуктов, покидающих процесс очистки

Оптимизация работы ступеней обратного осмоса

Так как оборотная вода имела меньшее солесодержание, что говорит о высокой селективности мембран, а в подающем стоке концентрации веществ были выше ожидаемых, это значит, что концентрат из системы обратного осмоса имел намного большие концентрации солей и осмотическое давление в системе росло. Чтобы противодействовать росту давления, пришлось снизить эффективность ОО2 и ОО3. Это одна из тех мер, которая позволила оптимизировать работу сооружений и практически не повлияла на общий выход пермеата за счёт того, что на первой ступени обратного осмоса ОО1, производящей наибольшее количество пермеата, был достигнут очень высокий показатель выхода пермеата. Концентрат из третьей ступени обратного осмоса ОО3 направлялся на испаритель, после которого оставалось лишь 0,25% от объёма поступающего стока, подлежащих утилизации.

Таким образом, можно сказать, что модернизация существующих традиционных биологических очистных сооружений в современные ZLD сооружения была полностью успешной, как в отношении достигнутого качества воды для повторного использования, так и в отношении сокращения объёмов отходов для утилизации: из 100% поступающих на очистку вод, 95,5% стоков могут быть очищены для дальнейшего использования, 4,25% являются отходами с флотации и избыточным активным илом, а оставшиеся 0,25% должны быть утилизированы как конечный продукт от испарительного процесса (см. изображение 5).  В настоящее время тестируются новые концепции и схемы ZLD, в которых происходит восстановление и рекуперация ценных компонентов из схожих по составу сточных вод – ещё один важный шаг на пути устойчивого развития ZLD сооружений.

Для одного из производителей косметики была разработана концепция повторного использования воды с системой нулевого сброса.

Это удалось благодаря оптимизации работы системы из нескольких ступеней обратного осмоса. Из 100% поступающих на очистку стоков, 95,5% очищенных стоков подлежат повторному использованию и только 0,25% концентрата должны быть утилизированы.