Изменение климата оказывает глубокое влияние на содержание и характеристики НОМ в поверхностных водах посредством различных сложных механизмов, что делает НОМ основным загрязнителем при очистке питьевой воды. Источники воды с высоким-NOM обычно характеризуются высокой цветностью и высоким содержанием DOC (дозы на единицу площади). НОМ не только вызывает проблемы с цветом и запахом водоемов, но также вступает в реакцию с дезинфицирующими средствами, образуя побочные канцерогенные продукты.
Традиционные процессы очистки питьевой воды имеют ограниченную эффективность удаления NOM, в то время как традиционные процессы с использованием органических мембран страдают такими недостатками, как склонность к загрязнению и плохая коррозионная стойкость. Керамическая мембрана в сочетании с коагуляцией обеспечивает инновационное, компактное и высокостабильное решение с низким-потреблением-энергии и высокой стабильностью для очистки поверхностных вод с высоким-NOM.
Три метода предварительной обработки: от традиционного к предельной компактности
Европейская исследовательская группа разработала и сравнила три модели предварительной обработки коагуляцией и флокуляцией, добившись непрерывной оптимизации технологического процесса и одновременно обеспечив эффективность обработки:
1. Традиционная коагуляция/флокуляция в двух-танках
В качестве классического режима очистки этот процесс предполагает двухэтапную-реакционную схему: резервуар быстрого смешивания и резервуар медленной флокуляции. Сырая вода и коагулянт тщательно перемешиваются в баке быстрого смешивания перед подачей в бак флокуляции для завершения роста хлопьев, при этом общее гидравлическое время удерживания (HRT) составляет 21 минуту. Этот режим обеспечивает тщательную реакцию, но требует большой площади и имеет высокие затраты на строительство.
2. Режим быстрого смешивания
Этот режим упрощает технологический процесс, устраняя резервуар медленной флокуляции и сохраняя только блок быстрого смешивания. Коагулянт и сырая вода смешиваются и попадают непосредственно в мембранный модуль, сокращая время гидравлического удержания до 7 минут. Сохраняя базовую эффективность лечения, он существенно упрощает настройку оборудования.
3. Режим онлайн-трубчатой флокуляции
Это самое инновационное компактное решение в данном исследовании. Технологическая схема выглядит следующим образом: сырая вода + коагулянт → смешивание мембранного питательного насоса → трубчатый флокулянт → керамическая мембрана → пермеат. На протяжении всего процесса нет реакционного резервуара; смешивание и флокуляция осуществляются по трубопроводам. Время гидравлического удержания (HRT) составляет всего 45 секунд, а значение G- контролируется на уровне 330 с⁻¹. Он имеет наименьшую занимаемую площадь среди трех режимов.
Основные параметры: аппаратная поддержка керамической мембраны
В эксперименте использовалась керамическая мембрана, которая благодаря свойствам неорганического материала, химической стойкости и высокой механической прочности, стала основным аппаратным обеспечением стабильной работы процесса.
Результаты экспериментов: высокая-эффективность удаления + низкая-загрязнение, двойные преимущества
В исследовании использовались DOC, цвет и УФ₂₅₄ в качестве индикаторов оценки NOM, а разница трансмембранного давления (TMP) в качестве индикатора оценки загрязнения мембраны, что оптимизировало тип, дозировку и значение pH коагулянтов.
В эксперименте сравнивали хлорид полиалюминия и хлорид железа, и результаты были весьма поучительны:
Удаление DOC:
Соли алюминия достигают степени удаления 50–85% при pH 5,5, которая увеличивается с увеличением дозировки.
Соли железа достигли максимальной степени удаления 87% при pH 4,5 и 10 мг/л.
Удаление цвета:
Aluminum salts were optimally removed at pH 5.5, with a dosage as low as 2 mg/L achieving a removal rate >90%.
Соли железа оптимально удаляются при pH 5,0, что требует 6... Для достижения эквивалентных результатов необходимы концентрации выше мг/л.
Ключевой вывод исследования заключается в том, что чем больше коагулянта, тем лучше.
При концентрации соли алюминия 2 мг/л: недостаточная нейтрализация заряда, мелкие хлопья и легкое закупоривание пор мембраны.
При концентрации соли алюминия 5 мг/л: может произойти повторная стабилизация заряда или поверхностная нагрузка на мембрану может быть слишком высокой.
При концентрации соли алюминия 3 мг/л: загрязнение мембраны минимально, а работа наиболее стабильна.
Это означает, что оптимизация дозировки важнее, чем слепое ее увеличение.
Что касается мембранного загрязнения, он демонстрирует чрезвычайно высокую стабильность с очень низким необратимым мембранным загрязнением. При дозировке соли алюминия 3 мг Al/л скорость загрязнения мембраны достигает оптимального уровня, при этом повышение давления за один-цикл составляет всего около 40 мбар. В сочетании с регулярной обратной промывкой можно поддерживать долгосрочную-стабильную работу.
Стоит отметить, что остаточная концентрация металлов в стоках является основным лимитирующим показателем для технологического процесса. В оптимальном для удаления NOM диапазоне pH 4,5–5,5 остаточные концентрации алюминия и железа легко превышают 150 мкг/л (пределы для алюминия в «Стандартах качества питьевой воды GB5749-2022» составляют 200 мкг/л, а для железа — 300 мкг/л). В практической инженерии необходимо сбалансировать значение pH и дозировку коагулянта, принимая во внимание как эффективность удаления, так и безопасность сточных вод.
Режим онлайн-трубчатой флокуляции является предпочтительным вариантом.
Сравнение трех режимов предварительной обработки показало:
Степень удаления цвета и DOC составляла около 80% с незначительной разницей.
Скорость необратимого загрязнения мембран была одинаковой (0,06–0,10 мбар/ч).
Мутность сточных вод постоянно оставалась ниже 0,1 NTU.
Три режима не показали существенной разницы в эффективности удаления NOM, но режим онлайн-трубчатой флокуляции со сверх-коротким временем гидравлического удерживания (45 секунд) и минималистским дизайном без реакционного резервуара стал оптимальным выбором.
Это исследование подтверждает, что процесс коагуляции-флокуляции + керамической мембраны полностью применим для очистки поверхностных вод с высоким NOM (нормальное содержание кислорода): низкая дозировка коагулянта обеспечивает обработку, соответствующую требованиям; керамическая мембрана моется и имеет длительный срок службы; и его рабочее потребление энергии намного ниже, чем у традиционных процессов. Онлайн-режим трубчатой флокуляции устраняет ограничение, связанное с большими размерами, свойственное традиционным процессам очистки воды, обеспечивая техническую поддержку для строительства компактных, интеллектуальных установок питьевой воды.
Заключение
В условиях ужесточения стандартов качества питьевой воды и проблем, связанных с загрязнением исходной воды, процесс предварительной обработки коагуляционной-керамической мембраны обеспечивает баланс между эффективностью очистки и снижением затрат на гражданское строительство. Благодаря своим основным преимуществам, таким как высокая-эффективность удаления, низкий уровень загрязнения, компактный дизайн и низкое энергопотребление, он обеспечивает новый подход для водоканалов, работающих с источниками воды с высоким-органическим-содержанием (такими как вода из водохранилища на юге и немного речной воды на севере).
