|
Задачей любой системы водоподготовки является производство заданного количества очищенной воды строго определенного качества. Состав аппаратурно-технологической схемы такой установки определяется, прежде всего, источником воды и требованиями к ее качеству. Наряду с этим всегда учитываются экономические затраты (капитальные и эксплуатационные). В последние годы важным показателем стала экологическая безопасность получаемых при производстве отходов и минимизация их количества. Существенным моментом для использования новых технологий является вопрос об их доступности и освоенности на отечественном рынке, и готовности персонала к их обслуживанию.
НПК "Медиана-фильтр" представляет современные системы очистки воды и водоподготовки:
Затраты на водоподготовку – это неотъемлемая часть эксплуатационных расходов предприятий пищевой промышленности, энергетического и нефтехимического комплексов. Задача сокращения эксплуатационных расходов на водоподготовку усложняется ростом тарифов за водопользование, непрерывным ухудшением качественных показателей воды (например, увеличением солесодержания) в источниках, пригодных для промышленного использования, ужесточением нормативов по количественным и качественным показателям для сбрасываемых стоков, повышением требований к качеству обработанной воды, используемой в технологическом цикле.
Природные воды, как правило, содержат целый набор неорганических и органических веществ, включая загрязнения различной природы. Это, прежде всего, частицы взвесей, растворимые соли натрия, кальция, магния, токсичные соли тяжелых металлов, железо, марганец и т.п.; органические молекулы разных размеров – гуматы, ПАВы и т.п., бактерии и вирусы, а в некоторых случаях – и радионуклиды. Состав вод разных источников может разительно отличаться как по содержанию солей (воды северных рек – до 50 мг/л, а морская – до 35 000 мг/л), так и по другим компонентам.
Подземные воды содержат в основном природные компоненты – продукты растворения пород, с которыми контактировала вода. Они, как правило, достаточно жесткие, содержат соединения железа, марганца, часто – радий, сероводород. Состав таких вод относительно стабилен. Воды одного горизонта, отобранные в разных точках, даже отстоящих далеко друг от друга, достаточно близки по составу. При этом воды из скважин, находящихся рядом, но пробуренных в разные горизонты, могут различаться достаточно сильно.
Качество поверхностных вод зависит от геологических и климатических факторов. Основной геологический фактор – это структура русла реки. К климатическим факторам относится частота и количество осадков и экологическая ситуация региона.
Кроме того, в поверхностных водах наряду с природной составляющей во все большем количестве присутствуют техногенные загрязнения – отходы сельского хозяйства, промышленности, энергетики, городские стоки и т.п. Состав таких вод зависит от большого количества факторов: времени года, дождей, наличия притоков, режима работы промышленных, сельскохозяйственных и муниципальных предприятий и т.п. Поэтому состав вод по течению реки до и после населенных пунктов может значительно отличаться по содержанию солей, органических соединений, взвесей. Особенно заметна зависимость от времени года.
Морская вода характеризуется высоким содержанием растворимых солей, часто – на пределе растворимости, а также постоянно меняющимся содержанием взвесей и наличием мельчайших водорослей.
Следует отметить, что за последние годы ужесточился ряд требований к качеству воды в электронике и энергетике, например, по содержанию органического углерода и кремнекислоте. Это связано с требованиями производства и развитием методов контроля, которые дают возможность определять меньшие концентрации этих загрязнений.
Схема, представленная на рис. 8.1, показывает основные этапы производства воды: источники воды, способы ее предподготовки и окончательной очистки в соответствии с требованиями разных потребителей. Видно, что возможность выполнения этих требований одним методом очистки крайне редка. Практически всегда необходима комбинация нескольких способов.
Рис. 8.1. Основные источники воды, способы ее предподготовки и очистки для разных потребителей
Способов водоподготовки известно достаточно много, причем они применяются в различных технологических вариантах и аппаратурном оформлении. Очевидно, что для обеспечения заданного качества очищенной воды технологические схемы должны создаваться путем различного сочетания этих элементов.
Оптимальный выбор сочетания таких способов особенно актуален в настоящее время, когда наряду с ужесточением требований к качеству воды на первый план выходит экологическая безопасность всего процесса. Необходимо не только получить максимальное количество чистой воды, но и добиться того, чтобы объем отходов был минимален и они были нетоксичны. Поэтому выбор оптимальной аппаратурно-технологической схемы установки водоподготовки и ее оборудования является достаточно сложной, нестандартной и многопараметрической задачей.
Основными технологическими приемами водоподготовки, которые реализуются различными методами, являются:
- очистка воды от взвешенных частиц;
- очистка от железа и марганца;
- удаление органических загрязнений (обесцвечивание, дезодорация);
- умягчение воды;
- обессоливание;
- удаление или интоксикация биологических загрязнений;
- коррекция состава воды (щелочности или кислотности, содержания Ca , F , I и т.п.).
В многочисленных отечественных публикациях последнего времени [15, 22, 23, 25, 31–38, 44, 80–83, 127–129, 142–149, 152, 179–183, 194–201, 212, 213, 254, 303–308] рассмотрены реализованные схемы водоподготовки для различных производств.
Существующие в настоящий момент системы водоподготовки на большинстве ТЭЦ, АЭС и предприятиях различных отраслей промышленности в основном основаны на научно-технических идеях и подходах почти полувековой давности и не отвечают современным требованиям экологии и безопасности.
Традиционным методом решения данной задачи является применение технологической схемы, представленной на рис. 8.2.
Рис. 8.2. Традиционная технологическая схема подготовки обессоленной воды для ТЭЦ и АЭС
Методы предварительной подготовки с применением известкования, коагуляции и фильтрации на механических фильтрах хорошо отработаны, но требуют больших производственных площадей и сложны в отношении механизации и автоматизации. Они не всегда могут обеспечить необходимые требования по качеству воды.
Основным методом, используемым в настоящее время для обессоливания, является ионный обмен. Это простой и надежный метод, обеспечивающий заданное качество очищенной воды, но имеющий существенный недостаток, связанный с необходимостью применения кислот и щелочей для регенерации смол. Катионообменные смолы регенерируются кислотой (как правило, серной), а анионообменные смолы – щелочью. Это приводит к необходимости организации довольно сложного реагентного хозяйства, системы нейтрализации стоков и к образованию высокосолевых отходов, сброс которых ограничен. Причем расход реагентов, как правило, в 2–3 раза превышает стехиометрический, и в такое же число раз увеличивается количество сбрасываемых солей. Процессы регенерации, как правило, слабо автоматизированы, велика роль человеческого фактора и, соответственно, рисков. Необходимая надежность достигается многократным запасом прочности и дублированием, а также большим количеством обслуживающего персонала.
Кроме того, постоянно растут требования к чистоте подпиточной воды: по общему солесодержанию, натрию, кремнекислоте, содержанию кислорода. Ионообменные методы не всегда могут обеспечить заданное качество, или его достижение оказывается очень затратным.
Решить задачу сокращения эксплуатационных расходов на водоподготовку позволяет внедрение новых технологий. Наибольшую эффективность имеют промышленные установки, составленные исключительно из мембранных модулей различного назначения: ультра- и нанофильтрации, обратного осмоса, мембранной дегазаций и электродеионизации, называемых в целом – интегрированные мембранные технологии (ИМТ) . В этом случае практически отпадает необходимость наличия большого кислотно-реагентного хозяйства, снижаются эксплуатационные затраты и резко улучшаются экологические параметры.
На основании вышеизложенного разработаны принципиальные схемы комплексных мембранных установок. В обобщенном виде концепция комплексной мембранной системы, в частности для энергетики, представлена на рис. 8.3.
Комплексная мембранная установка для подготовки глубокообессоленной воды, выполненная в соответствии с данной схемой, обеспечивает минимальный объем отходов и включает в себя узлы: предварительной механической или микрофильтрации, ультрафильтрации, одно- или двухступенчатого обратного осмоса, дегазации и электродеионизации. Исходная вода последовательно проходит через эти модули, обессоливается и подается потребителям. Для сокращения объема стоков могут быть установлены дополнительные узлы ультрафильтрации и обратного осмоса.
Рис. 8.3. Блок-схема комплексной мембранной установки (КМУ) для подготовки глубокообессоленной воды при минимальном объеме отходов:
МФ – блок механической фильтрации; УФ – блок ультрафильтрации; ОО- 1, ОО-2 – блоки обратного осмоса первой и второй ступени; МДГ – блок мембранной дегазации; ЭДИ – блок электродеионизации; УФ-С – блок концентрирования стоков блока ультрафильтрации; ОО-С – блок концентрирования стоков блоков обратного осмоса
Комплексная мембранная установка работает следующим образом: исходная вода подается на механический самопромывной предфильтр, где происходит удаление загрязнений крупнее 100–400 мкм.
Затем вода поступает на модуль ультрафильтрации УФ, где происходит ее разделение на концентрат, содержащий механические (взвеси), органические и микробиологические загрязнения и очищенный фильтрат (пермеат). Концентрат выводится в дренаж. Пермеат поступает на вход насоса высокого давления первого модуля обратного осмоса ОО-1.
В модуле обратного осмоса ОО-1 происходит выделение из раствора основной массы солей, которые сбрасываются в виде концентрата. Частично обессоленный пермеат подается на вход насоса высокого давления второго модуля обратного осмоса ОО-2. На второй ступени обратного осмоса происходит глубокое обессоливание воды. При этом образуется концентрат низкого солесодержания, который возвращается на вход первого модуля обратного осмоса.
Обессоленная вода подается на вход модуля мембранной дегазации МДГ, используемого для удаления растворенных в воде углекислоты и кислорода.
Затем вода поступает на вход насоса модуля электродеионизации ЭДИ, где при пропускании воды через слой смеси ионитов, непрерывно регенерируемых под действием электрического тока, удаляются следовые количества загрязнений, оставшиеся после обратного осмоса. Концентрат с этого модуля, содержащий в основном соли натрия, в количестве меньшем, чем в исходной воде, возвращается на вход первого модуля обратного осмоса ОО-1.
Гарантированное качество воды после такой обработки достигает предельных значений чистоты: сопротивление – 15–18 МОм•см; минимальные значения ТОС, содержания кремния и кислорода.
При необходимости сокращения объема сточных вод, образующихся при очистке воды, стоки с установок ультрафильтрации и обратного осмоса, могут подвергаться дополнительному концентрированию.
Концентрат от установки ультрафильтрации, содержащий механические взвеси, органические и микробиологические загрязнения, поступает на специальный модуль ультрафильтрации УФ-С, где происходит концентрирование извлеченных загрязнений, которые выводятся в дренаж. Очищенная вода используется для обратной промывки самопромывных предфильтров модуля МФ.
Концентрат солей от обратного осмоса первой ступени ОО-1 поступает в модуль сокращения объема стоков ОО-С. Он представляет собой специализированный модуль обратного осмоса, рассчитанный на работу с растворами средней концентрации при их дополнительном концентрировании. Полученный концентрат извлеченных солей выводится в дренаж. Очищенная вода возвращается на вход модуля обратного осмоса первой ступени и используется для обратной промывки модуля ультрафильтрации.
Такая схема имеет существенные преимущества перед традиционной.
Использование ультрафильтрации для предочистки воды перед установками обессоливания (обратным осмосом или ионным обменом) имеет значительные экономические, экологические и качественные преимущества перед механическими фильтрами, осветительными установками, основанными на принципах коагуляции или реагентного осаждения, поскольку последние являются источником экологически вредных отходов – шламов – с нерациональным использованием водных и энергетических ресурсов. Качество фильтрата после установок ультрафильтрации по мутности, содержанию взвешенных веществ, железа, коллоидов и органики очень стабильно, практически не зависит от колебаний качества исходной воды и значительно (от двух до десяти раз) превосходит качество воды, полученной при использовании классических осветлителей.
Использование установок обратного осмоса позволяет без использования реагентов обессолить воду в 30–50 раз. Заменяя первую ступень ионного обмена, установки ОО сокращают в соответствующее число раз потребление кислот и щелочей. При этом сбрасываемые в окружающую среду стоки имеют солесодержание до 1 г/л, что соответствует экологическим нормам.
Мембранная дегазация позволяет удалять растворенные газы с минимальным расходом энергии и обеспечивает высокое качество воды. Установки дегазации позволяют удалять растворенный кислород из обессоленной воды.
Внедрение электродеионизации вместо второй и третьей ступени ионного обмена, позволяет построить экологически чистые системы для получения глубокодеминерализованной воды с удельным сопротивлением 15–18 МОм·см (удельной проводимостью 0,07–0,05 мкСм/см).
При использовании комплексных мембранных систем минимизируется потребление реагентов в технологическом цикле и не образуются высокоминерализованные стоки, сброс которых ограничен. Исключаются затраты на нейтрализацию стоков. Даже в варианте с применением ионообменного дообессоливания расход реагентов сокращается в десятки раз. Полученные регенераты могут быть разбавлены до допустимых норм концентратом мембранных установок. При необходимости количество концентратов мембранных установок может быть сокращено при использовании дополнительных модулей УФ-С и ОО-С. При этом, естественно, возрастут и соответствующие концентрации в них примесей.
Использование ультрафильтрации, обратного осмоса и электродеионизации выгодно и с точки зрения эксплуатационных затрат.
Использование комплекса мембранных установок позволяет сократить эксплуатационные затраты. Так, себестоимость предподготовки с использованием реагентной системы и осветлительных фильтров на одном из объектов составляет около 2–2,5 руб/м 3 , а себестоимость подготовки воды на установке ультрафильтрации – до 1–1,5 руб/м 3 .
Стоимость обессоливания одного кубометра воды с минерализацией 600 мг/л ионообменным методом на другом объекте составит 14 руб/м 3 , а с последовательным использованием обратного осмоса и электродеионизации – 5 руб/м 3 .
|
Лабораторные установки
Засыпные фильтры 
Промышленные системы
Мобильные системы 