Теплоэнергетика, 2021, № 7, стр. 72-79
Ресурсосбережение для мембранных обессоливающих установок
Е. Б. Юрчевский a, *, В. В. Солодянников b, **
a АО ОКБ “Гидропресс”
142103 Московская обл., г. Подольск, ул. Орджоникидзе, д. 21, Россия
b ООО “СВТ-Инжиниринг”
443080 г. Самара, Революционная ул., д. 70, Россия
* E-mail: aquachim@yandex.ru
** E-mail: vvssvt@yandex.ru
Поступила в редакцию 18.08.2020
После доработки 09.09.2020
Принята к публикации 23.09.2020
Аннотация
Предложены апробированные в эксплуатационных условиях технологии утилизации сточных вод предочистки, концентрата обратноосмотической установки и установки финишной очистки обессоленной воды. Показано, что применение этих технологий эффективно при решении вопросов ресурсосбережения. Для предвключенной ультрафильтрационной установки рассматриваемое техническое решение обеспечивает возврат 82–88% объема сточных вод в фильтрат. Концентрат обратноосмотической установки предлагается направлять на Н-катионитный фильтр, загруженный слабокислотным катионитом. Фильтр включен в замкнутый контур многократного использования регенерационных растворов, где в кристаллизаторе осуществляется извлечение из пересыщенного регенерационного раствора сульфата кальция. Фильтрат Н-катионитного фильтра разделяется на два потока, один из которых смешивается с фильтратом установки ультрафильтрации, а другой выводится из технологической схемы обессоливающей установки и используется как подпиточная вода систем охлаждения, водо- и теплоснабжения или отводится в природную среду. Для оценки эффективности предложенных авторами технических решений использованы специально разработанные математические модели отдельных процессов. Показано, что предложенная схема утилизации сточных вод мембранной обессоливающей установки на 91.8–99.0% обеспечивает эффективность использования природной воды гидрокарбонатного класса и сульфатной группы, охватывающей подавляющее большинство поверхностных источников пресной воды. Применение для утилизации концентрата обратноосмотической установки контура многократного использования регенерационного раствора позволяет вернуть в основной цикл значительную часть концентрата и выделить из него сульфат кальция в форме товарного продукта. Проведенные расчеты показали также, что для исходной воды гидрокарбонатного класса и магниевой группы применение предложенной технологии утилизации концентрата нецелесообразно. Схемы утилизации сточных вод по предложенной технологии могут быть практически реализованы с использованием стандартного оборудования и апробированных в производственных условиях технических решений.
Дефицит пресной воды и деградация качества ее поверхностных источников – это один из наиболее серьезных рисков, с которым сталкивается мир на всех уровнях: социальном, экономическом, политическом и экологическом. Хотя Россия относится к странам мира, располагающим наибольшими пресноводными ресурсами, проблема сохранения и улучшения качества и количества пресной воды для нынешнего и будущего поколений актуальна и для нашей страны. Уже сегодня в некоторых районах России дефицит чистой воды становится весьма острой проблемой, поэтому утверждена Водная стратегия РФ на период до 2020 г. [1]. Одна из важнейших поставленных в ней задач – повышение качества воды в водных объектах, восстановление водных экосистем и рекреационного потенциала водных объектов путем сокращения антропогенного воздействия на водные объекты и их водосборные территории.
Современные тепловые, парогазовые и атомные электрические станции являются одними из крупнейших водопользователей. Огромные объемы воды потребляют энергетические установки для охлаждения, производства добавочной и подпиточной воды энергоблоков, причем значительная ее часть (около 30%) уходит в безвозвратные потери. Так, для работы ТЭС мощностью 1 млн кВт необходимо 1.0–1.6 км3 воды в год, а для работы АЭС той же мощности – от 1.6 до 3 км3. Нижние границы этих интервалов соответствуют самому передовому техническому уровню [2].
Существенную роль в уменьшении потребности электростанции в исходной воде и повышении ее экологической чистоты играет совершенствование как технологического оборудования электростанции, так и схем водоподготовительных установок. Важным этапом в модернизации водоподготовительной техники стало освоение в конце прошлого века обратноосмотической технологии обессоливания воды. Предложены и апробированы интегральные мембранные технологии водоподготовки [3]. Опыт длительной эксплуатации обратноосмотических установок показал, что их применение обеспечивает глубокое удаление из обрабатываемой воды взвешенных, коллоидных и растворенных примесей при минимальном использовании химических реагентов [4].
Как правило, новая технология имеет неоспоримые преимущества перед традиционными ионообменной и термической технологиями водоподготовки и позволяет улучшить экологические характеристики электростанций. Однако существенным недостатком баромембранных обессоливающих установок остаются большие объемы сбрасываемых вод на всех этапах обработки воды.
В настоящей статье даются рекомендации по утилизации сточных вод, образующихся при применении мембранных технологий на всех этапах обработки природной воды из поверхностных водоисточников, в целях сбережения водных ресурсов. Важным ресурсосберегающим эффектом предлагаемых технических решений будет сокращение объемов водопотребления благодаря повторному использованию части сбрасываемых сточных вод в основном цикле водоподготовительной установки (ВПУ), а также выделение из сточных вод части растворенных в них солей в виде товарных продуктов. В работе для сопоставления традиционной и предлагаемой технологий применен оценочный индекс, утвержденный Минприроды России для расчета баланса водохозяйственных объектов и представляющий собой отношение объема сбросов загрязненной воды к объему исходной воды [5]. Для водоподготовительной установки этот индекс можно представить в виде
где $\sum {{{d}_{j}}} $ – часовой расход стоков ВПУ; ${{d}_{j}}$ – часовой расход стока j-й ступени ВПУ; ${{D}_{{\text{и}}}}$ – часовой расход воды (исходной), поступающей на установку.ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА
В качестве примера рассмотрена эффективность водопотребления обратноосмотической обессоливающей установки с предочисткой, состоящей из дисковых фильтров и ультрафильтрационной установки, а также с финишной очисткой воды с использованием фильтров смешанного действия (см. рисунок). По этой схеме из исходной воды последовательно удаляются:
Схема обратноосмотической обессоливающей установки с переработкой стоков в отстойнике и на Н-катионитном фильтре. 1 – дисковый фильтр; 2 – подогреватель; 3 – дозаторы реагентов для коагуляции; 4 – установка ультрафильтрации (УУФ); 5 – установка обратного осмоса; 6 – установка финишной доочистки; 7 – емкость для стоков УУФ; 8 – отстойник; 9 – механический фильтр; 10 – шламо- или шлаконакопитель; 11 – насос осветленной воды; 12 – емкость для концентрата УОО; 13 – Н-катионитный фильтр; 14 – декарбонизатор; 15 – емкость для декарбонизированной воды; 16 – насос декарбонизированной воды; 17 – кристаллизатор гипса; 18 – фильтр обезвоживания гипса; 19 – емкость для осветленной воды; 20 – перекачивающий насос; 21 – дозатор серной кислоты: 22 – возврат циркулирующей воды со шламо- или шлаконакопителя
мелкие механические примеси на дисковых самопромывных (или других механических) фильтрах 1 с рейтингом фильтрации 150–200 мкм;
крупнодисперсные и коллоидные примеси на установке ультрафильтрации 4;
примеси, находящиеся в диссоцииpованном состоянии, на установке обратного осмоса (УОО) 5.
На установках финишной доочистки 6 осуществляется полная деионизация обрабатываемой воды.
Объемные часовые расходы потоков, отводимых за пределы установки, со всех ступеней ВПУ включают в себя:
${{d}_{{{\text{д}}{\text{.ф}}}}}$ – промывочные воды дисковых самопромывных фильтров;
${{d}_{{{\text{у}}{\text{.ф}}}}}$ – отмывочные воды ступени ультрафильтрации;
${{D}_{{\text{к}}}}$ – концентрат ступени обратного осмоса.
Для сокращения объемов стоков и более эффективного сбережения водных ресурсов на стадии предварительной очистки рекомендовано проводить обработку стоков в отстойнике. Промывочная вода самопромывных фильтров 1 и отмывочные воды установки ультрафильтрации 4 поступают в сборник-усреднитель 7 и затем проходят осветление в отстойнике 8 с взвешенным слоем осадка. После удаления шлама вода направляется на доочистку в механический фильтр 9. Затем осветленная вода попадает в поток фильтрата ультрафильтрационной установки. Продувка отстойника (удаленная часть воды, содержащей шлам, из нижней части аппарата) отводится в шламонакопитель 10 для захоронения шлама и восполнения потерь схемы шламоудаления. Перед ультрафильтрацией с использованием насоса-дозатора 3 проводят дозировку необходимых реагентов для коагуляции. Утилизация сточных вод стадии предварительной очистки воды с использованием отстойника 8 и механического фильтра 9 позволяет снизить расход воды на собственные нужды предварительной очистки до 0.5% и менее от объема воды, поступающего на установку [6].
Для уменьшения объема сбрасываемого в окружающую среду концентрата обратноосмотической установки рекомендовано умягчение его на Н-катионитном фильтре 13, загруженном катионитом слабой кислотности с карбоксильными функциональными группами СООН. Фильтр включен в замкнутый контур многократного использования регенерационных растворов (КМИР). Извлечение двуводного сульфата кальция (гипса) осуществляется из пересыщенного регенерационного раствора сульфата кальция в кристаллизаторе 17, в котором находится образовавшийся ранее осадок гипса, который служит “затравкой” для образования кристаллов и способствует ускорению этого процесса [7]. Сформировавшиеся кристаллы гипса выводятся из кристаллизатора с непрерывной продувкой на фильтр для обезвоживания гипса 18. Полученный обезвоженный осадок подвергается термообработке при 160°C для получения гипсового вяжущего вещества товарного качества.
В замкнутом контуре регенерации Н-катионитного фильтра 13 расход серной кислоты на регенерацию всегда равен стехиометрическому. Другая важная особенность состоит в том, что в отработавшие регенерационные растворы при регенерации фильтра раствором серной кислоты поступают кальций и сульфат-ионы в количествах, эквивалентных расходу серной кислоты на регенерацию. Используя особенности карбоксильного катионита, режим работы Н-катионитного фильтра выбирают таким, чтобы в процессе рабочей части фильтроцикла из концентрата извлекался кальций, в результате чего с образованием угольной кислоты будет снижаться гидрокарбонатная щелочность, а также уменьшаться минерализация концентрата и содержание малорастворимых солей.
Поток фильтрата Н-катионитного фильтра разделяется на две части, одна из них смешивается с фильтратом установки ультрафильтрации. Угольная кислота, полученная при Н-катионировании, используется для раскисления фильтрата установки ультрафильтрации, уменьшения концентрации гидрокарбонатов и рН. В результате снижается вероятность образования карбонатных отложений. Другая часть потока фильтрата выводится из технологической схемы обессоливающей установки и используется как подпиточная вода систем охлаждения, водо- и теплоснабжения или отводится в природную среду. При необходимости требуемое качество подпиточной воды обеспечивается заданием нужного значения конверсии в обратноосмотической установке. Для удаления свободной углекислоты и снижения коррозионной активности концентрата эта часть потока проходит через декарбонизатор 14. После декарбонизации поток поступает в бак декарбонизированной воды 15, из которого с помощью насоса 16 направляется для подпитки систем охлаждения, водо- и теплоснабжения. Основные элементы описанной технологической схемы прошли апробацию в производственных условиях на водоподгототельной установке подпитки теплосети с открытым разбором горячей воды Самарской ТЭЦ [7].
МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ
Для отработавших стоков финишной доочистки 6 (электродеионизация) характерны небольшой их расход (менее 3% производительности ВПУ), невысокое потребление химических реагентов и более низкое, чем в фильтрате установки ультрафильтрации, солесодержание. Эти стоки без какой-либо переработки направляются в поток исходной воды ступени обратного осмоса.
Для оценки эффективности ресурсосбережения предложенных технических решений были проведены сравнительные расчеты, в которых использовались специально разработанные математические модели: состава минеральных веществ, водного раствора установки ультрафильтрации, химического состава фильтрата и концентрата установки обратного осмоса, фильтрата с катионитом слабой кислотности, смешения потоков и др. Математические модели верифицированы в производственных условиях [8, 9 ] .
Компоненты минерализации концентрата установки обратного осмоса рассчитывали по формуле
Коэффициент распределения ${{{{\gamma }}}_{i}}$ рассчитывали по концентрации растворенного вещества [10].
Склонность к образованию отложений на обратноосмотических мембранах определяли по двум показателям: индексу Ланжелье IL и произведению растворимости сульфата кальция ${\text{Пр}}_{{{\text{CaS}}{{{\text{O}}}_{{\text{4}}}}}}^{t}.$ Следует пояснить, что часто используемая для расчета обратноосмотических установок программа ROSA (Reverse Osmosis System Analises) ориентирована на образование, в первую очередь, карбонатных отложений и предназначена для условий, характеризующихся высокими концентрациями сульфатов, и дает завышенные значения степени конверсии.
Степень конверсии рассчитывали путем итераций до постоянного значения R и концентраций малорастворимых веществ, исключающих образование отложений, по индексу Ланжелье IL < 0.2 и соотношению произведений активности и растворимости сульфата кальция ${\text{Па}}_{{{\text{CaS}}{{{\text{O}}}_{{\text{4}}}}}}^{t} < {\text{Пр}}_{{{\text{CaS}}{{{\text{O}}}_{{\text{4}}}}}}^{t}.$ Считается, что при этих условиях на мембранах не будут образовываться отложения [10].
Эффективность использования воды при совместной работе ступеней ультрафильтрации и обратного осмоса определяли по формуле (1).
Эффективность использования воды для всей обессоливающей установки со стадиями предочистки и обессоливания воды рассчитывали для утилизации стоков предочистки и концентрата обратноосмотической установки без учета использования части концентрата для подпитки теплосети по формуле
Коэффициент использования воды при полном использовании стока установки обратного осмоса в качестве подпиточной воды вычислялся по формуле
Возможности утилизации стоков обессоливающей установки номинальной производительностью Dном = 100 м3/ч по описанной схеме (см. рисунок) оценены расчетным методом. Расчеты выполнены для исходных водоисточников: река Волга, имеющая площадь бассейна 1.26 млн км2, и река Дон с площадью бассейна 0.422 млн км2. Суммарная площадь бассейнов рек Волга и Дон примерно равна половине площади европейской части России (3.5 млн км2). Также расчеты выполнены для реки Нева, играющей важную роль в экономике Северо-Западного района России. Показатели качества воды названных водоисточников представлены в табл. 1.
Таблица 1.
Качество воды
| Место взятия пробы, река |
Компонент солесодержания, мг-экв/дм3 |
Содержание, мг/дм3 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ca2+ | Mg2+ | Na+ | ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$ | ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ | Cl– | солей | оксидов железа Fe2O3 | взвешенных веществ | органических и минеральных веществ | |
| Волга, г. Саратов | 3.09 | 1.09 | 1.67 | 2.39 | 2.50 | 0.96 | 413.4 | 0.9 | 350.1 | 3.7 |
| Волга, г. Ярославль | 1.72 | 0.75 | 0.13 | 1.95 | 0.48 | 0.16 | 202.3 | – | 8.7 | 0.8 |
| Нева, Санкт-Петербург | 0.45 | 0.10 | 0.12 | 0.43 | 0.12 | 0.11 | 55.0 | – | 5.9 | 0.3 |
| Дон, г. Задонск | 2.69 | 2.42 | 0.85 | 4.81 | 1.00 | 0.14 | 449.6 | – | – | – |
По классификации О.А. Алекина [11], воды из водоисточников река Волга (Саратов, Ярославль) и река Нева (Санкт-Петербург) относятся к гидрокарбонатному классу и сульфатной группе, река Дон (Задонск) – к гидрокарбонатному классу и магниевой группе. Выбранные водоисточники охватывают все пресноводные реки и водоемы по классам (по преобладающим анионам) и группам (по преобладающим катионам). Подавляющее большинство пресных вод России относится к гидрокарбонатному классу и кальциевой группе.
В качестве базовой принята схема, изображенная на рисунке (без узлов переработки стоков), в которой сточные воды самопромывных фильтров 1, ступени ультрафильтрации 4 и концентрат ступени обратного осмоса 5 сбрасываются в окружающую среду.
При оценке эффективности утилизации стоков предварительной очистки с использованием осветления в отстойнике 8 и возврата осветленной воды в поток фильтрата ступени ультрафильтрации принято, что продувка отстойника 8 равна 3% расхода промывочных вод дисковых фильтров и отмывочных вод установки ультрафильтрации.
В расчетах КМИР приняты следующие значения коэффициента повторного использования концентрата ступени обратного осмоса k2: 0, 0.5, 0.8, 0.9. Для каждого выбранного значения коэффициента k2 были выполнены два варианта расчета. В первом варианте (базовом) конверсию рассчитывали, исходя из необходимости предотвращения сульфатных отложений на мембранах. Во втором варианте конверсию определяли на основе предельно допустимых значений жесткости Ж и карбонатного индекса Ik для подпиточной воды, соответствующих подогреву в котлах до температуры 141–150°С и cоставлявших 7 г-экв/м3 и 0.5 (мг-экв/м3)2 соответственно.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
По первому варианту (базовому) все сточные воды обессоливающей установки, в том числе промывочные воды дисковых фильтров, отмывочные воды ультрафильтрационной установки и концентрат обратноосмотической установки отводятся в окружающую среду со следующими показателями:
| Расчетная степень конверсии R, % ..................47 |
| Коэффициент использования воды KВПУ, % ..................................................42.2 |
| Расход исходной воды на ВПУ Dи, м3/ч ......250.8 |
| Жесткость концентрата Ж, мг-экв/дм3 .........7.85 |
| Индекс карбонатный Ik, (мг-экв/дм3)2 .........23.1 |
Аналогичные расчеты были выполнены для всех принятых водоисточников и других выбранных значений k2. Полученные результаты расчетов основных технологических характеристик анализируемых водоподготовительных установок представлены в табл. 2.
Таблица 2.
Характеристики водоподготовительных установок
| Показатель | Место взятия пробы (река, город) |
Базовый вариант | Доля вторично использованного концентрата k2 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.0 | 0.5 | 0.5 | 0.8 | 0.8 | 0.9 | 0.9 | |||
| Степень конверсии R, % | Волга, Саратов | 47.00 | 47.00 | 71.00 | 50.00 | 67.00 | 25.00 | 54.00 | 17.00 |
| Волга, Ярославль | 61.00 | 61.00 | 77.00 | 77.00 | 82.00 | 63.00 | 85.00 | 46.00 | |
| Дон, Задонск | 10.00 | 10.00 | 52.00 | 33.00 | 39.00 | 15.00 | 41.00 | 5.00 | |
| Нева, Санкт-Петербург | 95.00 | 95.00 | 95.00 | 85.00 | 95.00 | 71.00 | 92.00 | 53.00 | |
| Жесткость стока Ж, мг-экв/дм3 | Волга, Саратов | 7.85 | 4.08 | 12.24 | 6.60 | 23.04 | 6.12 | 25.47 | 6.63 |
| Волга, Ярославль | 6.80 | 2.20 | 6.12 | 6.12 | 17.35 | 6.90 | 37.76 | 6.94 | |
| Дон, Задонск | 5.68 | 2.75 | 7.64 | 4.94 | 13.86 | 4.16 | 19.81 | 3.78 | |
| Нева, Санкт-Петербург | 10.84 | 11.98 | 15.28 | 5.26 | 35.81 | 5.30 | 42.32 | 4.64 | |
| Карбонатный индекс стока Ik, (мг-экв)2 | Волга, Саратов | 23.11 | 0.40 | 1.20 | 0.60 | 2.20 | 0.80 | 2.50 | 0.70 |
| Волга, Ярославль | 18.70 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.20 | 0.10 | 0.40 | 0.10 | |
| Дон, Задонск | 15.04 | 0.10 | 0.40 | 0.70 | 24.70 | 0.50 | 14.50 | 0.70 | |
| Нева, Санкт-Петербург | 28.20 | 1.20 | 2.30 | 0.80 | 5.40 | 0.80 | 6.30 | 0.70 | |
| Расход исходной воды на ВПУ Dи, м3/ч | Волга, Саратов | 250.00 | 222.30 | 125.90 | 156.80 | 114.80 | 167.20 | 113.40 | 155.50 |
| Волга, Ярославль | 193.00 | 171.30 | 120.10 | 120.10 | 109.10 | 116.80 | 106.40 | 116.80 | |
| Дон, Задонск | 1170.10 | 1044.80 | 152.70 | 210.60 | 137.20 | 222.90 | 119.60 | 303.00 | |
| Нева, Санкт-Петербург | 124.40 | 110.00 | 107.30 | 113.70 | 105.60 | 113.10 | 105.40 | 113.80 | |
| Сток ступени предварительной очистки воды dпр, м3/ч | Волга, Саратов | 28.20 | 0.80 | 0.40 | 0.50 | 0.40 | 0.60 | 0.40 | 0.50 |
| Волга, Ярославль | 22.00 | 0.60 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | |
| Дон, Задонск | 127.50 | 3.40 | 0.50 | 0.70 | 0.50 | 0.80 | 0.40 | 1.00 | |
| Нева, Санкт-Петербург | 14.60 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | |
| Расход концентрата обратного осмоса Dк, м3/ч | Волга, Саратов | 116.30 | 116.30 | 42.10 | 103.10 | 50.80 | 309.30 | 87.80 | 503.30 |
| Волга, Ярославль | 65.90 | 65.90 | 30.80 | 30.80 | 22.60 | 60.50 | 18.20 | 121.00 | |
| Дон, Задонск | 927.80 | 927.80 | 95.20 | 209.30 | 161.20 | 584.20 | 148.40 | 1958.80 | |
| Нева, Санкт-Петербург | 5.40 | 5.40 | 5.40 | 18.20 | 5.40 | 42.10 | 9.00 | 91.40 | |
| Эффективность водоиспользования ВПУ KВПУ, % | Волга, Саратов | 35.00 | 53.20 | 91.40 | 79.20 | 95.80 | 61.90 | 96.30 | 79.70 |
| Волга, Ярославль | 54.40 | 65.50 | 91.80 | 91.80 | 97.50 | 93.50 | 98.90 | 93.50 | |
| Дон, Задонск | 9.80 | 20.40 | 95.90 | 91.00 | 97.20 | 89.90 | 98.70 | 83.20 | |
| Нева, Санкт-Петербург | 88.10 | 95.30 | 97.50 | 92.40 | 98.80 | 92.90 | 99.00 | 92.30 | |
| Коэффициент использования воды ВПУ с учетом направления стока на подпитку Kпод, % | Волга, Саратов | – | 99.70 | – | 99.80 | – | 99.60 | – | 99.80 |
| Волга, Ярославль | – | 99.70 | – | 99.80 | – | 99.80 | – | 99.80 | |
| Дон, Задонск | – | 99.70 | – | 99.90 | – | 99.90 | – | 99.90 | |
| Нева, Санкт-Петербург | – | 99.70 | – | 99.70 | – | 99.70 | – | 99.70 | |
| Масса получаемого гипса, т/год | Волга, Саратов | 329.90 | 329.90 | 192.20 | 236.20 | 175.40 | 106.30 | 174.10 | 235.30 |
| Волга, Ярославль | 201.60 | 201.60 | 145.80 | 145.80 | 133.80 | 142.60 | 130.80 | 143.10 | |
| Дон, Задонск | 2050.00 | 2050.00 | 301.80 | 405.80 | 186.30 | 395.10 | 224.10 | 722.30 | |
| Нева, Санкт-Петербург | 11.50 | 11.50 | 11.60 | 12.40 | 11.60 | 11.30 | 11.60 | 11.00 | |
| Масса удаляемых примесей, кг/ч | Волга, Саратов | 91.90 | 81.70 | 46.20 | 57.60 | 42.20 | 70.40 | 41.70 | 57.10 |
| Волга, Ярославль | 9.20 | 8.20 | 5.70 | 5.70 | 5.20 | 5.60 | 5.10 | 5.60 | |
| Дон, Задонск | 21.70 | 19.40 | 2.80 | 3.90 | 2.50 | 4.10 | 2.20 | 5.60 | |
| Нева, Санкт-Петербург | 3.30 | 2.90 | 2.90 | 3.00 | 2.80 | 3.00 | 2.80 | 3.00 | |
Анализ этих данных показывает, что для водоисточников гидрокарбонатного класса и кальциевой группы предложенная технологическая схема переработки стоков предочистки и концентрата обратноосмотической установки во всех вариантах обеспечивает значительное повышение эффективности потребления исходной воды. Так, для водоисточника река Волга (Саратов) эффективность водоиспользования возрастает с 35% в базовом варианте до 91.4–96.3% при различных значениях коэффициента возврата концентрата. Для водоисточника река Волга (Ярославль) эффективность водопользования возрастает от 54.4% в базовом варианте до 91.8–98.9% при реализации предложенной технологии. Для водоисточника река Нева (Санкт-Петербург) и без того высокую эффективность водопользования 88.1% можно увеличить до 98.8–99.0%.
Важным фактором, оказывающим значительное влияние на технико-экономические показатели водоподготовительной установки, является конверсия. Из табл. 2 следует, что для перечисленных водоисточников обработка концентрата на Н-катионитном фильтре и возврат его в основной контур обеспечивают существенный рост конверсии при доле возврата концентата 0.5.
В табл. 2 результаты расчетов для водоисточника река Дон (Задонск) с исходной водой гидрокарбонатного класса и магниевой группы значительно отличаются от результатов расчетов для других водоисточников и указывают как на низкую конверсию во всем диапазоне повторного использования концентрата, так и на высокую жесткость фильтрата. Это обусловлено большой концентрацией магния в водоисточнике. Для подобных вод применение предложенной технологии утилизации концентрата нецелесообразно и необходимы разработка иного способа получения соединений магния в качестве сырьевого материала и демагнизация концентрата ступени обратного осмоса.
Вклад первого этапа утилизации сточных вод остается неизменным и составляет 3% расхода промывочных вод дисковых фильтров и отмывочных вод установки ультрафильтрации, что позволяет вернуть в основной цикл 97% объема стоков этой стадии водоподготовительной установки. Вклад второго этапа утилизации концентрата обратноосмотической установки зависит от коэффициента возврата концентрата в основной цикл k2.
Для практической реализации предложенной технологической схемы водосбережения природной воды целесообразно использовать апробированное отечественное оборудование. Расчет срока окупаемости предлагаемых инноваций в значительной мере зависит от производительности установки и стоимости сброса отдельных компонентов сточных вод с учетом местных условий и должен выполняться для каждого конкретного объекта.
ВЫВОДЫ
1. Предложенная схема утилизации сточных вод мембранной обессоливающей установки позволяет достичь уровня эффективности использования природной воды гидрокарбонатного класса и кальциевой группы 91.4–99.0%. Для рассмотренных водоисточников обработка концентрата обратноосмотической установки на Н-катионитном фильтре и возврат его в основной контур обеспечивают существенный рост степени конверсии.
2. Применение для утилизации концентрата обратноосмотической установки Н-катионирования в составе контура многократного использования регенерационного раствора позволяет выделить из концентрата сульфат кальция в форме товарного продукта.
3. Схемы утилизации сточных вод по предложенной технологии могут быть практически реализованы с использованием стандартного оборудования и апробированных в производственных условиях технических решений.
4. Для вод магниевой группы применение предложенной технологии утилизации концентрата нецелесообразно. Необходимы разработка иного способа получения соединений магния в качестве сырьевого материала и демагнизация концентрата ступени обратного осмоса.
Список литературы
Водная стратегия Российской Федерации на период до 2020 г. Утв. распоряжением Правительства РФ № 1235-р от 27.08.2009.
Данилов-Данильян В.И. Водные ресурсы мира и перспективы водохозяйственного комплекса России / Ин-т устойчивого развития; Центр экологической политики России. М.: ООО “Типография ЛЕВКО”, 2009.
Пантелеев А.А., Очков В.Ф., Гавриленко С.С. Схемно-технологические решения водоподготовительных установок на базе интегрированных мембранных технологий для парогазовых ТЭС // Энергосбережение и водоподготовка. 2014. № 4 (90). С. 11–16.
Опыт освоения новых технологий обработки воды на ТЭС / Б.М. Ларин, А.Н. Коротков, М.Ю. Опарин, А.Б. Ларин // Теплоэнергетика. 2010. № 8.
Методика расчета водохозяйственных балансов водных объектов. Утв. приказом М-ва природных ресурсов РФ № 314 от 30.11.2007.
Юрчевский Е.Б., Солодянников В.В. Сточные воды мембранных обессоливающих установок и их утилизация. Ультрафильтрация // Энергосбережение и водоподготовка. 2017. № 2 (106). С. 3–13.
Юрчевский Е.Б., Солодянников В.В. Расчетно-экспериментальное обоснование схем утилизации концентрата, образующегося в цикле обратноосмотических обессоливающих установок // Теплоэнергетика. 2018. № 7. С. 92–98. https://doi.org/10.1134/S0040363618070093
Разработка и верификация программы расчета качества фильтрата обратноосмотических установок, предназначенной для использования в математических моделях водоподготовительных установок, включающих обратноосмотическое обессоливание / Е.Б. Юрчевский, В.В. Солодянников, М.А. Пичугина, Ю.В. Солодянникова // Энергосбережение и водоподготовка. 2019. № 2 (118). С. 3–8.
Юрчевский Е.Б., Солодянников В.В. Описание математической модели процесса деминерализации воды с применением мембранных технологий и узлом утилизации концентрата // Энергосбережение и водоподготовка. 2020. № 1 (123). С. 55–62.
Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия, 1989.
Алекин О.А. Основы гидрохимии. Л.: Гидрометеоиздат, 1953.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Теплоэнергетика
Пн.-пт.: 10.00-19.00