+7 (343) 247-81-32

Инжиниринг Производство Строительство и монтаж

Публикации

18.06.2012

Переработка сточных вод

Ю.Г. Никитин, ЗАО "НПП "Машпром"

Сокращения:

ВВКУ – выпарная вакуум-кристаллизационная установка;

ДОУ – дистилляционная обессоливающая (опреснительная) установка;

ИО – ионообмен;МВ – обозначение установок мгновенного вскипания;

ОО – обратный осмос

УОО – установка обратноосмотическая.

 

Сброс сточных вод в водоисточники, ввиду почти повсеместного исчерпания их разбавляющей способности, сейчас начинают просто запрещать. Мгновенно на предприятиях России все очистные сооружения не появятся, а имеющиеся не модернизируются. Начинать работу необходимо с аудита сточных вод для определения первостепенных задач:

- сокращения объемов сточных вод путем исключения перерасходов при некоторых операциях;

- сокращения расхода реагентов экономически оправданными методами;

- определения самых загрязненных потоков для их дальнейшего отделения и создания локальной очистки для повторного использования воды и, возможно, растворенных в воде компонентов, либо изменения технологии, при которой образуются эти стоки.

 

При проектировании необходимо использовать принципы внедрения малосточной технологии, описанные в [1].

 

В большинстве случаев при принятии решения создания бессточного (малосточного) предприятия возникает необходимость переработки сточных вод «на сухо». Так как упаривание «на сухо» достаточно дорогая операция, то для снижения расходов, как капитальных, так и эксплуатационных сперва необходимо произвести аудит объемов, состава и источников образования стоков и наведения порядка в водном хозяйстве. В некоторых случаях возможно изменение технологии отдельных переделов для изменения объемов или состава стоков. В результате этих работ объемы и качество сточных вод, подлежащих упариванию «на сухо» обычно значительно сокращаются. Для целей сокращения капитальных и эксплуатационных затрат часто помогает прием выделения и отдельной переработки потока, сильно отличающегося от других вод по составу или концентрации. Так, например, на ряде РТС МГП «Мостеплоэнерго» [2, 3] отдельно собирают воды от операций регенерации смолы при Na-катионировании. Воды взрыхления фильтров и начальные воды регенерации, собранные в отдельном баке осветляются на механических фильтрах и подаются в исходную воду; отработанный регенерационный раствор и первые порции отмывочных вод собираются в другом баке для дальнейшей регенерации; остальные отмывочные воды собираются для дальнейшего их использования при следующем взрыхлении. Таким образом, объем сточных вод значительно сокращается, их концентрация растет. Умягчение этих сточных вод с последующим их концентрированием на выпарной установке или УОО значительно сокращает потребление свежей соли.

 При работе электростанций образуются различные сточные воды, которые РД по проектированию термодистилляционных и выпарных установок РАО ЕЭС России [4] разделяет на три группы:

- П е р в а я: все сточные воды (перечень см. в [4]), за исключением вод второй и третьей групп;

- В т о р а я: продувочные воды испарительных установок и котлов;

- Т р е т ь я: регенерационные воды Na-катионитовых фильтров.

Продувочные воды второй группы характеризуются как мягкие соленые, что упрощает их переработку. Наиболее оптимальным способом их переработки можно назвать схему:

- предварительное концентрирование на ООУ;

- концентрирование до 150-250 г/л на ДОУ;

- доупаривание в ВВКУ с получением солепродуктов на центрифуге.

 

РАО ЕЭС рекомендует в случае принятия решения о переработке вод первой группы «на сухо» объединять эти воды со сточными водами третьей группы и обрабатывать их совместно по почти идентичным схемам на рисунках 1 и  9 (стр.14 и 27 [4]). Эта схема включает в себя умягчение содо-щелочным раствором или содо-известкованием, осветление, фильтрацию, концентрирование на ДОУ или МВ, доупаривание на ВВКУ.  При переработке сточных вод этой группы так же может быть использован обратный осмос. Солесодержание концентрата после УОО может колебаться от 12 до 50 г/л. Для возможности использования УОО до более высокого солесодержания концентрата между фильтрацией после содо-известкования и УОО можно применить Нг-катионирование с голодной регенерацией, благодаря чему достигаются сразу две цели: доумягчение и подкисление стоков, что резко снижает карбонатный индекс. Тем более, что для снижения отложений на мембранах на второй или третьей ступени УОО может использоваться подкисление. Достоинства Нг-катионирования описаны в [5, 6], но немного повторю: отработанный регенерационный раствор, пересыщенный по гипсу пропускается через взвешенный слой ранее полученного гипса и в результате происходит кристаллизация гипса на затравке; стабилизированный растворукрепляется серной кислотой для следующей регенерации). А избыток стабилизированного раствора, так как есть содо-известкование надо подавать в «голову» процесса умягчения.

 

Стоки третьей группы конечно можно и перепарить, но для снижения расходов поваренной соли для Na-катионирования было бы оптимальным производить восстановление регенерационных вод Na-катионитовых фильтров путем осаждения солей жесткости с последующим концентрированием этих вод на ДОУ до рабочей концентрации. Многие считают что регенерация отработанных на Na-катионитовых фильтрах растворов требует больших капитальных затрат, но они видимо не представляют, сколько будет стоить упаривание «на сухо», особенно растворов с высокой долей поваренной соли в сухом остатке. Концентрирование же умягченного регенерационного раствора может быть произведено в установке с горизонтально-трубным испарителем при темпере кипения около 50°С, когда из коррозионных условий титан, как конструкционный материал, еще не требуется. Высокие коэффициенты теплопередачи, малые температурные перепады по ступеням испарения позволяют с высокой эффективностью оснащать такие испарители пароструйными эжекторами и расходовать в малых установках (до 2 т/ч по выпаренной воде) не более 200 кг пара на тонну выпаренной воды.

Доля тепла в себестоимости тонны дистиллята (выпаренной и сконденсированной влаги) достигает 60-70%, поэтому более крупные выпарные установки мы проектируем с удельным расходом пара 0,1-0,13 кг/кг выпаренной влаги. Особенность выпарных установок в том, что массовый расход солей в концентрате ДОУ или твердых отходов ВВКУ почти такая же, как и в потоке исходной воды. Почти – так как применяются антинакипины и химические промывки, хотя в некоторых случаях используют гидромониторную чистку (особенно при труднорастворимой накипи).

 

При ионообменной технологии обессоливания суммарное количество солей в сточных водах увеличивается в 2-3 раза. Соответственно при переработке стоков «на сухо» в 2-3 раза увеличивается самая дорогая часть участка выпаривания – выпарной аппарат с принудительной циркуляцией соленой пульпы и центрифуга для отделения солей от маточного раствора. Кроме того растет и проблема утилизации смеси солей.

 

Ранее, в 1960–1980 г., считалось, что при солесодержании исходной воды не более 2 г/л выгодно использование ионного обмена, а при большем – выпарки [7]; при этом в стоимости подготовки воды практически не учитывалась переработка сточных вод (концентрат ВУ и отработанные регенерационные воды), так как считалось, что их можно сбрасывать в реки – например с паводковыми водами. Многие фирмы при сравнениях методов обессоливания строят графики, подобные показанному на рисунке №1.


Рис. №1 Сравнение методов обессоливания воды

 

Вот только точки пересечения имеют сильный разброс в зависимости от методов расчета, страны производителя и профиля деятельности фирмы. Так фирмы, поставляющие установки обратного осмоса стремятся отодвинуть точку пересечения с ионообменом ниже 100 мг/л, а точку пересечения с дистилляционной техникой – за 50-60 г/л.  Точка пересечения линий ОO и ИО в [7] от 100–150 мг/л до 600–800 мг/л; в [8] - 500 мг/л.

 

Сегодня, ввиду изменения экологического законодательства, точка пересечения ОО и ИО может сместиться влево с учетом стоимости переработки сточных вод. ОО почти не потребляет реагенты и, кроме того, на ТЭЦ зачастую есть возможность использовать концентрат ОО для подпитки теплосети, произведя его предварительное умягчение. Когда при обессоливании методом ОО нет возможности использовать концентрат в производстве или сбросить его в природу, появляется необходимость упаривания концентрата «на сухо». Так как дистиллят зачастую содержит меньше солей, чем пермеат, то общая мощность обессоливания складывается из мощностей ОО и выпарки. Обессоливающая установка становится «гибридной».

 

В гибридных установках (ОО+дистилляция) часто конденсаторы выпарных установок охлаждаются исходной для ОО водой, и этот прием позволяет экономить оборотную воду для дистилляции и электрическую и тепловую энергию для ОО. Причем в зимнее время тепла конденсаторов может не хватать для подогрева воды перед ОО. Тогда используются и подогреватели «конденсат-исходная вода», как показано на рисунке №2. В каждом конкретном случае необходимо просчитывать несколько вариантов «гибридной» установки для определения оптимального солесодержания при переходе с ОО на дистилляцию. Разовые капитальные вложения ОО меньше чем у дистилляции и требуемый для размещения ОО объем меньше. Но ОО имеет дорогие расходные части – электроэнергия, реагенты и мембраны. Причем, чем выше солесодержание концентрата, тем выше требуемое давление воды, чаще происходит полная замена мембран, и требуются более дорогие мембраны для «солоноватой» или даже для «морской» воды, которые могут быть использованы для второй или третьей ступени ОО, чаще происходят регенерация мембран, что требует большего количества дорогостоящих реагентов, имеющих «фирменные» названия, состав которых - «нау-хау».


Рис. №2 Блок-схема очистки дебалансной воды шламонакопителя

 

В [9] сказано: Область применения ОО: солёная вода TDS≤35000 mg/l; качество пермеата TDS≤600 mg/l; процент возврата: 35%-50%; температура морской воды: 5.0~30.0 ºС; расход электрической энергии на тонну пресной воды менее 3.8 kW.h/m3. При рассмотрении рисунка №1 возникает вопрос по точкам пересечения: при каких солесодержаниях производилось сравнение – при начальном, конечном или среднем? Рисунок №3 построен так, что стоимость переработки определяется площадью от начального до конечного солесодержания. Рисунок №3 не отображает действительные значения, а только предлагает метод сравнения. Линия ОО уходит в «бесконечность» при высоком солесодержании, так как этот метод соли из воды не выделяет.


Рис. №3 Сравнение ОО с выпарной технологией

 

Многие заказчики хотят очистить сточные воды до ПДК, планируя их дальнейший сброс в природу. Когда очистка достижима реагентными методами с отстаиванием и фильтрацией – очень хорошо. Но хорошо растворимые натрий и хлориды при этом из воды не удаляются, а растворимость гипса достаточно высока. Поэтому в ход могут пойти более дорогие методы – ОО и дистилляция. Очищенные же этими методами воды обычно имеют высокое качество и их в природу уже не сбрасывают, а возвращают в производство, снижая тем самым забор свежей воды и расходы на обработку свежей воды.

Точка пересечения дистилляции и ОО зависит от множества параметров.

- состав исходной воды - наличие веществ повреждающих мембраны; наличие веществ с высокой проницаемостью (например борная кислота), кроме того при увеличении солесодержания исходной воды снижается селективность мембран [9] и растет используемое давление воды, а при дистилляции растет физико-химическая депрессия и противокоррозионные требования к конструкционным материалам

- требования, предъявляемые к очищенной воде –требование низкого солесодержания делает продуктом только пермеат 1 ступени, а пермеат последующих ступеней добавляется в исходную воду, что увеличивает требуемую площадь мембран;

- стоимость энергоносителей – метод ОО, также как и дистилляция, является энергозатратным, причём он может использовать лишь электроэнергию, тогда как выпарные установки используют и тепловую энергию, что при соседстве с ТЭЦ может оказаться преимуществом. Главное тут при расчете стоимости тепловой энергии для ДОУ учесть постоянство в ее потребности: и днем и ночью, и зимой и летом, снижение нагрузки на концевой конденсатор электростанции, а также выработку паром электроэнергии. Т.е. стоимость тепловой энергии, получаемой от ТЭЦ, должна быть ниже, чем назначаемая обычно. О необходимости справедливого деления стоимости топлива между электрической и тепловой энергиями много сказано А.Б.Богдановым [11] и В.М.Бродянским [12].

- мощность установки  - особенно сильно влияние на стоимость дистилляции для мелких установок – для них доля оболочек (в общей массе) вокруг теплообменных поверхностей и для каналов пара высока;

- и др.

 

Список использованной литературы

1. А.Б.Богданов. О создании малосточных безреагентных ТЭЦ и котельных.  Журнал «Энергорынок» №1, 2010г.

2. Потапова Н.В. Малоотходные технологии умягчения воды на РТС ГУП "Мостеплоэнерго" // Аква. Терм. 2004г. № 3. С. 34-37.

3. Потапова Н.В. Опыт подготовки подпиточной воды теплосети на тепловых станциях Филиала № 2 "Мостеплоэнерго" ОАО "МОЭК" // Новости теплоснабжения. 2005г. № 9. С. 46-50.

4. РД 153-34.1-42.102-98 «Руководящие указания по проектированию термодистилляционных и выпарных установок по переработке сточных вод ТЭС и ГРЭС». М. 2000г.

5. Шищенко В.В., Сидорова С.В., Моисейцев Ю.В., Подготовка добавочной воды теплосети с утилизацией сточных вод.  Журнал «Новости теплоснабжения», № 03 (03), ноябрь 2000г.,    http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=1517

6. Шищенко В.В., Пащенко Ю.Е., Экологическая эффективность методов подготовки подпиточной воды теплосети. Журнал «Новости теплоснабжения» №7 (71), 2006г.. http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=2395

7. Сравнение методов обессоливания воды.: http://www.mediana-filter.ru/water_obessolivanie.html

8.Водно-химический режим и водоподготовка.: http://www.raexpert.ru/researches/energy/electroenerg_1999/part_6_10/

9. Опреснители.: http://prb-dv.ru/opresnitel#har

10. А.А.Пантелеев, Б.Е.Рябчиков, О.В.Хорунжий и др. Технологии мембранного разделения в промышленной водоподготовке. М.:ДеЛи плюс, 2012г.. – 429 с.

11. А.Б.Богданов. Котельнизация России – беда национального масштаба. Журнал «Энергорынок» №3, №6, №9 2006г. №2, №6, №11 2007г. №1, №2 2008г.

12. В.М.Бродянский. Письмо в редакцию. К дискуссии о методах разделения затрат на ТЭЦ. М.: Теплоэнергетика. – 1992г. - №9.

Вернуться к списку публикаций