3. Схема очистки бытовых сточных вод (Тонкая фильтрация и мембранная очистка)

1. Этап №3: Тонкая фильтрация и мембранная очистка Этап «Тонкая фильтрация и мембранная очистка» — это ключевой рубеж глубокой доочистки сточных вод после биологической стадии, обеспечивающий удаление взвешенных частиц, коллоидов, микроорганизмов, вирусов, остатков БПК, азота и фосфора, а также остаточных следов химических веществ. На выходе формируется высокоочищенная вода, пригодная для дистилляции либо повторного использования. ? Назначение этапа: ● ● ● Глубокая доочистка воды до уровня, безопасного для дистилляции. Удаление мелкодисперсных и растворённых загрязнителей. Обеспечение стабильного качества воды на выходе. ⚙ Подэтапы технологического процесса: 1. Тонкая механическая фильтрация Цель: удаление остатков взвешенных веществ и мути (частиц >10–20 мкм), которые могли пройти через вторичный отстойник. Технология: ● Используются дисковые фильтры, песчаные фильтры с многослойной загрузкой или микросетчатые фильтры. Фильтрация под давлением или самотеком. ● 2. Ультрафильтрация (УФ) Цель: удаление коллоидных частиц, большинства вирусов и бактерий. Технология: ● ● ● Мембраны с размером пор ~0.01–0.1 мкм. Давление: 1–5 бар. Возможна организация в виде модулей с автоматической промывкой. 3. Нанофильтрация (при необходимости) Цель: частичное удаление растворённых органических соединений, остатков антибиотиков, ПАВ и др. Технология: ● ● Мембраны с пористостью ~0.001 мкм. Частично пропускают соли (в отличие от обратного осмоса), но задерживают органику.

2. ● Давление: 4–30 бар. (Может быть пропущен при наличии обратного осмоса или дистилляции как следующего этапа.) 4. Обратный осмос (ОО) Цель: удаление до 99% растворённых веществ, включая ионы, микроорганику, остатки лекарств, тяжелые металлы. Технология: ● Полупроницаемые мембраны, давление 6–30 бар. ● Удаление всех типов загрязнений, кроме летучих. ● Используется каскадная компоновка для повышения эффективности и снижения объема концентрата. 5. Промывка и регенерация мембран Цель: поддержание работоспособности мембран, удаление отложений и биоплёнок. Технология: ● Автоматическая обратная промывка. ● Периодическая химическая промывка (CIP) с использованием кислотных и щелочных реагентов. ● Дренаж сточных вод от промывки направляется на повторную очистку. 6. Аккумулирование очищенной воды Цель: сбор очищенной воды для последующей дистилляции или дальнейшего использования. Технология: ● Резервуары из коррозионностойких материалов. ● Система контроля качества и объема воды. ● Система перелива/аварийного сброса при переполнении. ? Сопутствующие процессы: ● Контроль давления, расхода и целостности мембран — для оценки загрязнения и своевременной замены. ● Система дозирования антискалантов — предотвращение образования отложений на мембранах. ● ● ●

3. ? Таблица оборудования по подэтапам № Подэтап Оборудование Назначение Основные требования Примеры моделей/поставщиков 1 Тонкая механическая фильтрация Дисковые или песчаные фильтры Удаление частиц >10–20 мкм Автоматическая промывка, стойкость к загрязнению, напор до 6 бар Amiad Arkal, HydroTech, FILTRAFINE MF, Lenntech Sand Filters Микросетчатые фильтры Альтернатива дисковым Материал – нерж. сталь, самоочистка, точность до 50 мкм Hydrotech HSF, Evoqua Water 2 Ультрафильтрация (УФ) Мембранные модули УФ Удаление коллоидов, вирусов, бактерий Размер пор 0.01–0.1 мкм, давление до 5 бар, автоматическая промывка Pentair X-Flow, DOW IntegraFlux, GE ZeeWeed, Toray HFU Блок управления промывкой Управление обратной промывкой и химией PLC, датчики давления и мутности Siemens, Endress+Hauser, IFM 3 Нанофильтрация (при наличии) Мембранные элементы НФ Удаление мелкой органики, ПАВ Размер пор ~0.001 мкм, давление 4–30 бар, устойчивость к fouling DOW FilmTec NF, Toray NF, Hydranautics Nitto NF Насосы высокого давления Обеспечение требуемого давления Давление 4–30 бар, нерж. исполнение, частотное регулирование Grundfos CRN, Lowara e-MP, KSB Movitec

4. 4 Обратный осмос (ОО) Мембранные каскады ОО Удаление 99% растворённых загрязнений Поры <0.0001 мкм, давление 6–30 бар, автоматическая промывка DOW FilmTec BW30/LE, Toray TM Series, GE AG Series, LennRO Система предварительной дозировки антискалантов Предотвращение накипи Дозирование с контролем ProMinent, Grundfos DDA, Milton Roy по потоку и pH Насосы высокого давления Подпитка мембранных каскадов Давление до 30 бар, нерж. исполнение, защита от сухого хода Grundfos BM, EBARA, Cat Pumps 5 Станция химической промывки мембран (CIP) Емкости для растворов (кислота, щелочь) Подготовка промывочной жидкости Химическая стойкость, контроль температуры Chem-Tainer, Poly Processing Циркуляционные насосы CIP Прокачка растворов по мембранам Устойчивость к химии, плавный пуск Grundfos MAGNA, Wilo, Iwaki ТЭНы/нагреватели Нагрев растворов до 30–40 °C Терморегуляция, защита от перегрева Electrolux Thermal, Durex Industries 6 Аккумулирование очищенной воды Резервуары-накопители Накопление Материал – нержавейка, PE, объем до 100–500 м³ ACO, Snyder Tanks, Hobas ультрачистой воды Насосы подачи в следующий этап Перекачка в дистилляцию Частотное регулирование, защита по уровню Wilo, Grundfos Hydro Multi, KSB Etaline

5. ? Таблица реагентов по подэтапам № Подэтап Название реагента Назначение Основные требования Типичные нормы расхода 1 Тонкая механическая фильтрация — (не требуется) — — — 2 Ультрафильтрация (УФ) Гипохлорит натрия (NaOCl) (опционально) Превентивная дезинфекция, промывка мембран Низкая концентрация, удаляется перед ОО ~0.5–1.0 мг/л при промывке Цитрат натрия или пероксоуксусная кислота (опционально) Очистка от биопленки Совместимость с УФ-мембранами, промывка 1–2 раза в месяц ~2–5 г/л, в зависимости от степени загрязнения 3 Нанофильтрация (НФ) (при наличии) Антискалант (фосфонатные соединения) Защита мембран от образования осадков Совместимость с мембранами, дозируется до мембран 2–6 мг/л в подпиточной воде Щелочной реагент (NaOH 0.1–1%) Промывка от органики Температура до 40 °C, промывка CIP 0.5–2 л/м³ промывочной жидкости Кислотный реагент (HCl или лимонная кислота) Удаление накипи и отложений Снижение pH до 3–4 Аналогично выше

6. 4 Обратный осмос (ОО) Антискалант (диспергаторы, фосфонаты) Предотвращение образования нерастворимых солей Подбор по ионному составу воды, стабильность 2–8 мг/л Серная кислота (H₂SO₄, опционально) Стабилизация pH до 6–7 перед ОО Уменьшение карбонатной жесткости 0.2–0.5 мл/л (зависит от воды) Хлор (опционально) Предварительная дезинфекция (в системах с дехлорированием) Удаляется активированным углем до мембран ~0.5 мг/л Щелочные и кислотные реагенты для CIP Очистка мембран от органики, осадков Контроль концентрации и температуры См. CIP ниже 5 Станция CIP NaOH (0.1–1%) Удаление органики и биопленки Темп. 30–40 °C, промывка 1–4 раза в месяц 50–200 л на цикл HCl или лимонная кислота (0.1–1%) Удаление карбонатов, металлов Химическая стойкость материалов Аналогично выше Комбинированные чистящие составы Комплексные чистящие смеси Совместимость с типом мембран Зависят от производителя 6 Аккумулирование очищенной воды — (реагенты не требуются) — — — ? Примечания: ● Для обратного осмоса и НФ мембран важно предварительно исключить остаточный хлор, иначе мембраны деградируют. ● Антискаланты подбираются индивидуально по исходному ионному составу воды и производителю мембран. ● Промывки CIP проводятся при росте потерь давления или ухудшении производительности — в среднем 1 раз в 1–2 месяца.

7. ? Таблица расходных материалов по подэтапам № Подэтап Расходный материал Назначение Срок службы / частота замены Примечания 1 Тонкая механическая фильтрация Картриджные фильтры (5–25 мкм) Защита мембран от крупных частиц 1–2 недели (при потере давления) Вставляются в фильтры типа BigBlue или аналогичные Прокладки / уплотнители Герметичность узлов 6–12 месяцев Зависит от условий эксплуатации 2 Ультрафильтрация (УФ) Мембранные модули УФ Удаление коллоидов и бактерий 3–5 лет Подлежат периодической промывке и дезинфекции Прокладки и уплотнения мембран Герметизация модулей 6–12 месяцев Проверка на утечки и износ 3 Нанофильтрация (при наличии) Мембраны НФ Удаление органики, частичных ионов 3–5 лет Зависят от условий эксплуатации и качества промывок Предфильтры (опционально) Защита от механических загрязнений 1–2 месяца Перед мембранами, в кассетных корпусах Уплотнения, хомуты Поддержание герметичности 1 год

8. 4 Обратный осмос (ОО) Мембраны ОО Глубокое удаление солей и растворенных веществ 3–5 лет При условии правильной предварительной подготовки Прокладки и межмембранные уплотнения Герметичность в корпусах мембран 6–12 месяцев Фильтры предварительной подготовки (1–5 мкм) Механическая защита мембран 1–4 недели Особенно важно в случае нестабильного притока 5 Станция CIP Химикаты для промывки (щелочь, кислота) Очистка мембран До 1 цикла/мес. Зависит от загрязнения Подающие шланги, прокладки, соединения Работа циркуляции раствора Проверка каждые 3–6 мес. Заменяются при повреждении 6 Аккумулирование очищенной воды Фильтры на вентиляции емкостей Защита от пыли, воздуха 3–6 месяцев HEPA или угольные картриджи Уплотнители емкостей Герметизация 1 год При нарушении герметичности заменить ? Примечания: ● Частота замены мембран зависит от качества воды, качества предочистки, корректности эксплуатации и регулярности промывок. ● Замена уплотнений и фильтров может быть синхронизирована с плановым техническим обслуживанием. ● Обязателен учет потерь давления и производительности, чтобы определить необходимость замены раньше срока. ● ● ●

9. На этапе «Тонкая фильтрация и мембранная очистка» система автоматизации (АСУТП) обеспечивает высокоточную и полностью автоматизированную работу всех технологических подэтапов. Ниже — описание принципов работы АСУТП для каждого из них: 1. Тонкая механическая фильтрация ● Контроль давления до и после фильтров: датчики ΔP сигнализируют о засорении и необходимости замены картриджей. ● Мониторинг расхода воды: расходомеры отслеживают эффективность подачи. ● Автоматическое открытие байпаса при критическом засорении (в аварийных режимах). ● Все данные поступают в SCADA-систему с визуализацией состояния фильтрации. 2. Ультрафильтрация ● Давление и перепад давления на модулях: обеспечивают контроль загрязненности мембран. ● Автоматическое управление промывками (обратная промывка, прямой слив): по заданному интервалу или при достижении порога загрязнения. ● Датчики мутности и проводимости на выходе: оценка эффективности барьера. ● Блок управления модулем УФ взаимодействует с центральным ПЛК и SCADA. 3. Нанофильтрация (если используется) ● Контроль давления (вход/выход), перепада давления и расхода. ● Онлайн-анализатор солесодержания на входе и выходе: корректировка потока в реальном времени. ● Программы промывки и химической очистки активируются автоматически при снижении производительности. ● Диагностика состояния мембран через коэффициенты восстановления и загрязнения (SDI). 4. Обратный осмос ● Давление подачи, давления концентрата и проницаемость контролируются постоянно.

10. ● ПЛК управляет насосами высокого давления, частотные преобразователи регулируют подачу. ● Онлайн-датчики проводимости на пермеате и концентрате — контроль качества очистки. ● Автоматическое отключение и запуск CIP (очистка мембран) по показаниям загрязнения. ● Безопасность: защита от избыточного давления, сухого хода, низкого расхода. 5. Станция CIP (Clean-In-Place) ● Полностью автоматизированный цикл промывки мембран с подачей химикатов в нужной последовательности. ● Дозаторы и клапаны управляются по алгоритму: наполнение → циркуляция → слив → промывка. ● Контроль температуры и pH промывочного раствора. ● Ведение журнала промывок в SCADA. 6. Аккумулирование очищенной воды ● Контроль уровня в емкостях (аналоговый сигнал от уровнемеров). ● Мониторинг качества воды в резервуарах: проводимость, мутность, температура. ● Автоматическое управление вентиляцией баков и фильтрацией воздуха. ● Насосы подачи в дальнейшие этапы включаются по уровню, при необходимости — резервные запускаются автоматически. ● Интеграция с системой распределения воды по потребностям. Централизованное управление: ● SCADA обеспечивает централизованную визуализацию, журналирование всех параметров, событий и тревог. ● Оператору доступна только мониторинговая и диагностическая информация, вмешательство минимально. ● Все модули связаны по протоколам Modbus, OPC UA, Profibus и т.д. через промышленный Ethernet. ● Сценарии автоматического реагирования на аварии, отклонения качества, отказ оборудования. ● ● ●

11. На этапе «Тонкая фильтрация и мембранная очистка» система рекуперации тепла играет важную, но ограниченную по объему роль, поскольку основное тепло уходит в более ранних и более «теплоёмких» этапах (например, на биологической очистке). Тем не менее, здесь можно эффективно извлекать остаточное тепло из концентратов и нагретой воды при обратном осмосе и нанофильтрации. Ниже — описание системы по подэтапам: ? 1. Тонкая механическая фильтрация ● Теплоотдача минимальна, так как температура воды на этом этапе близка к исходной. ● Рекуперация не применяется. ? 2. Ультрафильтрация ● Температурный контроль важен для поддержания работоспособности мембран (обычно до 35–40 °C). ● Пластинчатый теплообменник может использоваться: ○ Для охлаждения подаваемой воды (если она предварительно нагревалась на предыдущем этапе). ○ Или для нагрева холодной воды входящего потока за счёт тёплого ультрафильтрата. ● Цель — выровнять тепловой баланс, снизить пиковую нагрузку на следующий этап. ? 3. Нанофильтрация ● При прохождении через наномембраны часть энергии переходит в концентрат, который может нагреваться (особенно при высоком давлении). ● Пластинчатые или трубчатые теплообменники: ○ Используются для рекуперации тепла концентрата. ○ Нагретый концентрат отдаёт тепло входящей воде или циркуляционному потоку. ● Это снижает энергозатраты на поддержание температуры и продлевает срок службы мембран. ? 4. Обратный осмос ● Наиболее энергозатратный и нагревающий воду подэтап.

12. ● Давление 10–70 бар и работа насосов вызывают повышение температуры воды (до 5–7 °C выше исходной). ● Тепло концентрата (отработанного потока): ○ Направляется на пластинчатый или кожухотрубный теплообменник. ○ Отдаёт тепло входному дистилляту или части пермеата, направляемому в зону осмоса. ● Опционально: использование термоэлектрических модулей для маломощной рекуперации в режиме контроля. ? 5. Станция CIP ● В цикле промывки мембран используются нагретые растворы (до 35–45 °C). ● После промывки нагретый раствор можно частично охладить в рекуперационном теплообменнике, предварительно подогревая промывочную воду следующего цикла. ● Это позволяет снизить затраты на электронагрев. ? 6. Аккумулирующие емкости ● Воду из емкостей можно дополнительно отапливать или охлаждать при помощи теплообменника, интегрированного с системой ОВК (отопление-вентиляция-кондиционирование). ● Также возможно подключение к общезаводской системе теплоснабжения. Применяемое оборудование: ● Пластинчатые теплообменники (например, SWEP, Alfa Laval, GEA). ● Насосы циркуляционные с частотным управлением (например, Grundfos, Wilo). ● Тепловые датчики, электронные клапаны и исполнительные механизмы — управляются через АСУТП. Эффект: ● Снижение общей энергозатратности мембранного этапа до 10–15%. ● Поддержание стабильного температурного режима, оптимального для мембран и промывок. ● Повышение срока службы мембранных модулей за счёт избежания температурных скачков. ● ● ●

13. На этапе «Тонкая фильтрация и мембранная очистка» система вентиляции играет важную роль для: ● защиты оборудования от перегрева; ● предотвращения накопления влажности и образования конденсата; ● удаления потенциально вредных аэрозолей и микрокапель концентратов; ● обеспечения чистоты воздуха в помещениях, где возможен контакт с пермеатом (очищенной водой); ● минимизации выбросов в атмосферу за счёт многоступенчатой очистки воздуха. ? Общие требования к вентиляции ● Тип вентиляции: приточно-вытяжная, сбалансированная. ● Воздухообмен: 6–10 крат/ч для производственных помещений, до 12 крат/ч в зонах хранения концентратов и реагентов. ● Очистка выбрасываемого воздуха: обязательна. ● Все зоны работают в условиях разрежения (вытяжка чуть сильнее притока), чтобы воздух не выталкивался наружу неконтролируемо. ? Работа по подэтапам: 1. Тонкая механическая фильтрация ● Источник загрязнений: пыль от смены картриджей, капли при промывке. ● Меры: ○ Вытяжные зонты над блоками. ○ Угольные или НЕРА-фильтры на вытяжке. ○ Приток — через фильтры F7–F9. 2. Ультрафильтрация ● Влажность повышается за счёт работы мембран и конденсации на холодных поверхностях. ● Возможна аэрозольная дисперсия при промывке. ● Меры: ○ Вытяжка из верхней зоны корпуса установки. ○ Сбор аэрозолей в циклонах или каплеуловителях. ○ Приток осушенного воздуха при необходимости (система осушения на базе осушителей Munters, Dantherm и др.).

14. 3. Нанофильтрация ● Источники: концентрация солей может вызывать образование мелкодисперсных аэрозолей. ● В герметичных модулях — риск невелик, но при обслуживании и промывке — повышенный. ● Меры: ○ Локальная вытяжка из шкафов и от насосов. ○ Вытяжные каналы с фильтрами G4 + угольный или фотокаталитический модуль. ○ Сигнализация превышения влажности или солевого пылевого аэрозоля — через датчики. 4. Обратный осмос ● Основной риск: повышение температуры, аэрозоль солей в концентрате при дренировании. ● Меры: ○ Приточно-вытяжная система с охлаждением приточного воздуха. ○ Вытяжка из зоны дренажа и концентратного сброса — с мокрыми фильтрами (аквафильтрами) или угольными фильтрами. 5. Станция CIP (промывка) ● Используются агрессивные растворы (щелочь, кислоты). ● Во время промывки возможно выделение паров, особенно при нагреве. ● Меры: ○ Локальная герметизация и вытяжка над емкостями. ○ Многоступенчатая очистка воздуха: кислотостойкие фильтры, уголь, каталитическая нейтрализация. ○ Приток воздуха строго дозирован, с автоматическим регулированием. 6. Аккумулирующие емкости ● Риск аэрозольного загрязнения при переливах, особенно из концентрата. ● Меры: ○ Вентиляция с обратным клапаном и угольной фильтрацией. ○ Обязательная фильтрация вытесняемого воздуха при наливе (на основе фильтров типа F7 + уголь).

15. ? Очистка вытяжного воздуха Перед выбросом в атмосферу воздух проходит: 1. Механическую очистку — фильтры G4–F9 (задерживают пыль, капли, соль). 2. Сорбционную очистку — угольные модули (удаление запахов и органики). 3. Финальную очистку — фотокаталитический или УФ-модуль (обеззараживание). 4. Контроль параметров — датчики температуры, влажности, давления, солей и pH в конденсате. ? Использование осадков/мусора из вентиляции ● Фильтры иловые/угольные улавливают пыль, соли, аэрозоли — они утилизируются как техногенные отходы низкой опасности (класс IV). ● Жидкие конденсаты из воздуха можно направлять на предварительную очистку и затем в общий поток сточных вод (или на испарение). ● Возможна регенерация угольных фильтров с последующей повторной загрузкой. ● ● ● На этапе «Тонкая фильтрация и мембранная очистка» образуются твердые отходы, которые не подлежат дальнейшей водоочистке и подлежат утилизации или вторичной переработке в зависимости от состава. Рассмотрим работу с ними по подэтапам, включая отходы из системы вентиляции. ? Источники и типы твердых отходов по подэтапам: 1. Тонкая механическая фильтрация ● Отходы: ○ Изношенные картриджные фильтры (полипропиленовые, угольные). ○ Загрязнённые фильтровальные элементы (механические взвеси, хлопья органики). ● Утилизация: ○ Класс IV опасности (условно безопасные отходы).

16. ○ Сбор в герметичные баки/контейнеры → прессование (по возможности) → вывоз на полигон ТКО или на специализированный участок переработки пластика/полимеров. 2. Ультрафильтрация ● Отходы: ○ Мембранные модули по истечении срока службы. ○ Осадок из промывочных вод (соли, коллоиды, органика). ● Утилизация: ○ Мембраны — в сборные контейнеры, с предварительным сливом остатков концентратов. ○ Осадок после сгущения — как влажные техногенные отходы (перевод в иловый остаток или вывоз как шлам). 3. Нанофильтрация ● Отходы: ○ Мембранные элементы. ○ Загрязнённые уплотнители, резиновые прокладки, упорные кольца. ● Утилизация: ○ Разделение полимерных и металлических частей (при возможности). ○ Мембраны — утилизация через специализированную компанию (или термическое обезвреживание). 4. Обратный осмос ● Отходы: ○ Осаждённые соли, отложения на поверхности мембран. ○ Отслужившие мембранные элементы. ● Утилизация: ○ Мембраны — аналогично предыдущим. ○ Осадки — после упаривания могут быть переработаны в технические соли или отправлены как шлам. 5. CIP-промывка (мойка) ● Отходы: ○ Загрязнённые промывочные растворы (щелочи, кислоты) с растворёнными органическими веществами и солями.

17. ○ Фильтры предварительной очистки моющих растворов. ● Утилизация: ○ Жидкие отходы — в цикл нейтрализации, затем на переработку/утилизацию. ○ Фильтры — как химически загрязнённые отходы (IV–III класса опасности). 6. Аккумулирующие емкости ● Отходы: ○ Осадки на стенках и дне (солевые налёты, нерастворимые фракции). ● Утилизация: ○ Периодическая очистка, сбор и вывоз как концентрат/шлам в модуль утилизации осадка. ? Вентиляция — источники твёрдых отходов: ● Фильтры предварительной очистки воздуха (G4–F9) — задерживают пыль, капли, органику. ● Угольные и фотокаталитические фильтры — задерживают летучие органические соединения. ● Конденсатосборники с осадком — пыль + соль + частицы органики. Утилизация: ● Все фильтры собираются в герметичные мешки/контейнеры и направляются на утилизацию как отходы фильтрующих материалов (IV класс опасности). ● Угольные фильтры — при возможности регенерируются. ● Конденсат с осадком — либо испарение, либо включение в поток концентратов на дальнейшую переработку. ? Возможное использование/переработка: Отход Возможное использование Мембраны Материал для вторичной переработки (в некоторых случаях), в противном случае — сжигание. Полипропиленовые фильтры Переработка в гранулят для производства стройматериалов.

18. Угольные фильтры Регенерация и повторное использование. Осадки (шлам) После обезвоживания — на нейтрализацию или стабилизацию в модуле утилизации. Техногенные соли Возможна промышленная переработка (при чистом составе) — технические соли, реагенты, стройнормы.