МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН   

 Некоммерческое акционерное общество

«Алматинский институт энергетики и связи

 

Л.Р. Джунусова 

ВОДОПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ  УСТАНОВКИ  И  СИСТЕМЫ  

Учебное пособие 

 

Алматы  2009

Рассмотрены современные методы обработки воды на , АЭС и ТЭЦ, очистки конденсатов и обезвреживание сточных вод на электростанциях. Описаны устройства, принципы действия и оптимизация основных установок включенных в схемы предочисток ионитных, мембранных водоподготовок даны рекомендации по их эксплуатации. Отражены наиболее значительные достижения в области водоподготовки.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности  050717 – Технология воды и топлива.

Предисловие; Дисциплина «Водоподготовительные установки и системы» включена в план подготовки студентов, обучающихся по направлению  050717 – «Технология воды и топлива». Значение дисциплины связано с задачами, стоящими перед персоналом электростанции: с организацией надежной  бесперебойной  и  экономичной  работы  основного теплоэнергетического оборудования, сокращения потребления реагентов при обработке воды, снижения объема сточных вод  и т.д.

Интенсивное развитие промышленности и энергетики и коммунального хозяйства, значительный рост водопотребления, возросшие требования к качеству воды обуславливают строительство новых  водоподготовительных систем  и  технологий, расширение и реконструкций существующих.

В связи с этим будущий  специалист, получающий образование по специальности  «Технология воды и топлива», должен иметь четкие представления об элементах водоподготовительных систем, их значении,  взаимосвязи и владеть теоретическими основами процессов и методами улучшения качества воды, приобрести навыки по расчету и эксплуатации водоподготовительных установок.

В настоящем издании собрана и обобщена информация существующих и новых технологий по улучшению качества обрабатываемой воды, технологические схемы водоподготовительных установок и систем, используемых в циклах КЭС, ТЭЦ  и  АЭС.

Настоящая книга является учебным пособием по курсу «Водоподготовительные установки и системы».  

 1.Технологические схемы  КЭС, ТЭЦ, АЭС

 1.1  Типичные схемы обращения воды в циклах ТЭЦ и КЭС. Типичные схемы обращения воды в рабочих циклах конденсаци­онных тепловых электростанций (КЭС) и теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) приведены на рис.1 и. 2. Следует отметить, что принци­пиальные схемы водопаровых трактов одноконтурной АЭС с РБМК и второго контура АЭС с ВВЭР во многом аналогичны схеме КЭС.

           Природная (техническая) вода (Dисх) используется в качестве ис­ходного сырья на водоподготовительной установке, а также для дру­гих целей на ТЭС и АЭС.

Добавочная вода (Dд.в) направляется в контур для восполнения

потерь пара и конденсата после обработки с применением физико-химических методов очистки.

          Турбинный конденсат (Dт.к), содержащий незначительное коли­чество растворенных и взвешенных примесей, — основная состав­ляющая питательной воды.

 

 

Рисунок 1.1- Принципиальная схема обращения воды в тракте КЭС:

1 — котел, реактор кипящего типа, парогенератор; 2 — конденсационная турбина; 3— электрогенератор; 4 — водоподготовительная уста­новка (ВПУ); 5 — конденса­тор турбины; 6 — конденсатный насос; 7 — блочная обессоливающая установка (БОУ); 8 — ПНД; 9 — де­аэратор; 10— питательный насос; 11— ПВД

Возвратный конденсат (DВ.К) от внешних потребителей пара ис­пользуется после очистки от внесенных загрязнений. Он является составной частью питательной воды.

Питательная вода (Dnв), подаваемая в котлы, парогенераторы или реакторы для замещения испарившейся воды в этих агрегатах, представляет собой, главным образом, смесь турбинного и возвратно­го конденсата, добавочной воды, а также конденсата регенеративных подогревателей.

          Котловая вода, вода парогенератора, реактора  (Dкв) — вода, находящаяся в элементах указанных агрегатов.

          Продувочная вода (Dnp) — выводимая из котла, парогенератора или реактора вода на очистку или в дренаж для поддержания в испа­ряемой (котловой) воде заданной концентрации примесей. Состав и концентрация примесей в котловой и продувочной водах одинаковы.

          Охлаждающая или циркуляционная вода (D0.В) - используется в кон­денсаторах паровых турбин для конденсации отработавшего пара.

          Подпиточная вода (DВ.П) - подается в тепловые сети для восполне­ния потерь циркулирующей в них воды.

При эксплуатации ТЭС и АЭС возникают внутристанционные потери пара и конденсата:

а) в котлах при непрерывной и периоди­ческой продувке, при открытии предохранительных клапанов, при обмывке водой или обдувке паром наружных поверхностей нагрева от золы и шлака, на распыливание жидкого топлива в форсунках, на привод вспомогательных механизмов;

б) в турбогенераторах через лабиринтные уплотнения и паровоздушные эжекторы;

в) в пробоотборных точках;

г) в баках, насосах, трубопроводах при переливе, ис­парении горячей воды, просачивании через сальники, фланцы ит.п.

Обычно внутристанционные потери пара и конденсата, восполняе­мые добавочной питательной водой, не превышают в различные пе­риоды эксплуатации на ТЭС 2—3 %, на АЭС 0,5—1 % их общей па-ропроизводительности.

На промышленных ТЭЦ, отпускающих пар на различные техно­логические нужды предприятий, существуют также внешние потери пара и конденсата, поэтому количество добавочной воды для таких ТЭЦ может достигать 10—50 % количества генерируемого пара.

 

            Рисунок 1.2 - Принципиальная схема обращения воды в цикле ТЭЦ:

1 — котел; 2 — турбина с от­борами пара для нужд произ­водства и теплофикации; 3 — электрогенератор; 4 — кон­денсатор; 5 — конденсатный насос; 6 — установка очистки возвратного загрязненного производственного конденса­та; 7 — деаэратор; 8 — пита­тельный насос; 9 — подогре­ватель добавочной воды; 10 — ВПУ; 11 — насосы возвратно­го конденсата; 12 — баки воз­вратного конденсата; 13 — те­плофикационный потреби­тель пара; 14 — производст­венный потребитель пара. [2]

 1.2 Технологические системы первого контура АЭС с реакторами ВВЭР

Для повышения надежности теплоотдачи от тепловыделяющих сборок к водному теплоносителю технологическую схему первого контура реактора разделяют на несколько самостоятельных циркуляционных контуров (петель). [15]

 

 

Рисунок 1.3- Схема первого контура АЭС с реактором ВВЭР-440:

1— барботажный бак, 2 — предохранительной клапан, 3 — регулятор 4 — конпенсатор давления, 5 — главная запорная эадвнжки, 6 — вспомогатель­ный насос, 7-ГЦН, 8 - теплообменник контура охлаждения подшипника ГЦН, 9 — парогенератор. 10 — реактоо, 11 — вход для подпиточной воды в ректар

Это позволяет на работающем реак­торе отключать любой из контуров для ремонта оборудования  (Рисунок 1.3). Каждая из шести циркуляционных петель (на реакторе ВВРР -1000 — четыре петли) включает ГЦН 7, горизонтальный па­рогенератор 9, две главные запорные задвижки 5 с электроприво­дами, паровой компенсатор давления 4 (объема) с электроподогре­вателем и собственно реактор 10 с системой подачи подпиточной воды 11.

Главный циркуляционный насос должен обладать высокой на­дежностью, так как прекращение подачи воды в активную    зону может привести к повышению температуры   и   выходу   из   строя нолов, а также обеспечивать минимум протечек радиоактивного теплоносителя из корпуса насоса.

Современные ГЦН имеют гидромеханическое уплотнение вала нерадиоактивной водой с контролируемой протечкой и электродви­гатель с маховиком, который позволяет увеличивать время выбега насоса до 120 с.  Благодаря этому обеспечивается достаточный для охлаждения активной зоны расход воды при отключении электро­питания. Производительность каждого из ГЦН для ВВЭР-440 со­ставляет 1,95 м3/с (7000 м3/ч), а напор, определяемый гидравличе­ским сопротивлением реактора,— около 1,5 МПа. Для охлаждения подшипников ГЦН используют специальный контур, содержащий насос в и теплообменник 8.

В первом контуре реактора применяют систему компенсации давления (объема), которая регулирует его при изменении темпе­ратуры в стационарном и переходных режимах. Снижение давле­ния воды в первом контуре может привести к ее вскипанию, что ухудшит условия теплоотдачи, вызовет перегрев оболочек ТВЭЛов и, как следствие, — их разрушение, а повышение сверх номиналь­ного — к механическим разрушениям.

Основным элементом системы является компенсатор давления (объема), представляющий собой вертикально расположенный ци­линдрический сосуд ~ 50 м3, рассчитанный на высокие давления. В рабочем состоянии компенсатор заполнен водой на 2/3 , а выше уровня воды — паром. Генерация пара обеспечивается электрона­гревателями, помещенными в водном объеме. Водяная часть ком­пенсатора давления подключена к одной из циркуляционных пе­тель на выходе из реактора — к «горячей» нитке,— а паровая — трубопроводом — к «холодной» нитке той же петли, что обеспечи­вает впрыск реакторной воды перед ВВЭР в паровое пространство компенсатора. Регулируемыми параметрами в компенсаторе явля­ются давление и уровень воды. Давление в первом контуре под­держивают воздействием импульса, подаваемым регулятором на автотрансформатор электронагревателей компенсатора. При превы­шении предельного давления срабатывает предохранительный кла­пан 3, помещенный в паровой части компенсатора давления, а стравливаемый пар направляется для конденсации в барботажный бак 1 со  сдувкой 2. [15]

          1.3  Тепловые схемы АЭС с реакторами РБМК, ВВЭР и БН

В зависимости от используемого реакторного оборудования раз­личают одно-, двух- и трехконтурные АЭС.

На одноконтурных АЭС насыщенный пар давлением 7,0 МПа и температурой 284°С, выработанный в реакторе 1 (РБМК), посту­пает к двум турбинам по трубопроводу 2 (рисунок. 1.4), Отработав в цилиндрах высокого давления 3 (ЦВД), пар направляется в сепа­раторы — промежуточные пароперегреватели 4, где освобожда­ется от образовавшихся в ЦВД турбины капель влаги и одновре­менно нагревается до 250°С. Благодаря этому обеспечивается повышение экономичности и надежности работы турбин. Далее, пройдя цилиндры низкого давления 5 (ЦНД) турбины, пар на­правляется в конденсатор 6, в котором конденсируется при глубо­ком вакууме.      

Особенность работы конденсатора заключается в возникновении разности давлений между охлаждающей водой и конденсирующимся паром, приводящей к поступлению (присосу) небольшого количества охлаждающей воды с более высоким солесодержанием, чем в конденсате, в результате чего конденсат за­грязняется. [15]

 

 

Рисунок 1.4- Тепловая схема одноконтурной АЭС с ре­актором РБМК-1000

          Забираемый из конденсатора прокачивается насосами 7 через установку 8, предназначенную для его очист­ки, а также через регенеративные подогреватели низкого давле­ния 9 и поступает в деаэратор 10 для дополнительного подогрева и удаления из конденсата растворенных газов. После этого вода питательным насосом 11 подается в барабаны-сепараторы, где смешивается с водным теплоносителем, циркулирующим в контуре многократной принудительной циркуляции. Для РБМК- 1000 рас­ход вырабатываемого пара составляет 1560 кг/с (5600 т/ч).

         Недостатком тепловой схемы одноконтурной АЭС с РБМК яв­ляется загрязненность вырабатываемого реактором пара радио­активными примесями, переходящими в пар из реакторной воды. Для исключения выделения такого пара в помещение, где установ­лено паротурбннное оборудование (турбогенератор, конденсатор, устройства регенеративного подогрева, перекачивающие насосы), в местах выхода вала из цилиндров турбины на уплотнения пода­ется нерадиоактивный пар, вырабатываемый в специальной испа­рительной установке.

        Реакторы ВВЭР охлаждаются водой под давлением, подогревая водный теплоноситель в активной зоне с 270 до 300°С (т. е. на 30°С). Этот температурный перепад используют для образования насыщенного пара соответствующих температуры и давления в па­рогенераторах, число которых на энергоблоке АЭС должно соответствовать числу циркуляционных петель. Поскольку паротурбин­ный контур не имеет непосредственной связи с первым контуром, его называют вторым.

       Тепловая схема двухконтурной АЭС с ВВЭР приведена на рисунке 1.5 Второй контур характеризуется той же последователь­ностью включения основного и вспомогательного оборудования, что и на АЭС с реактором РБМК. Различие заключается в том, что во втором контуре АЭС с реактором ВВЭР используется практи­чески нерадиоактивный пар, поэтому оборудование не требует дополнительной биологической защиты.

 

Рисунок 1.5- Тепловая   схема двухконтурной АЭС с реактором ВВЭР

1 — реактор, 2 — компенсатор давления, 3— парогенератор, 4 — паро­проводы соседних парогенераторов, 5— ГЦН, 6 — главные запорные задаижкн, 7 — вход—выход реакторной воды соседней петли, 8— ЦВД турбины, 9 — сепаратор — промежуточный пароперегреватель, 10 — ЦНД турбины, 11 — конденсатор, 12 — трубопровод охлаждающей воды, 13, 17 - конденсатный и питательный насосы, 14 — система конденсатоочисткн, 15 — ПНД, 16 — деаэратор,  18 — ПВД, 19 — стопорный клапан турбины,  I, II — первый и второй контуры

Паротурбинные части теп­ловых схем АЭС и ТЭС также сходны, что позволяет на ТЭС и АЭС использовать одинаковое оборудование.

В многоконтурных схемах АЭС в качестве теплоносителя, кроме воды, используют другие вещества. Так, в реакторах на быстрых нейтронах теплоносителем является жидкий (расплавленный) натрий, поскольку он практически не замедляет быстрых нейтро­нов. Особенностью реакторов БН является также отсутствие за­медлителя и возможность получения вторичного ядерного топлива (плутоний-239). Температуру жидкометаллического натрия можно повысить на выходе из реактора до 550°С и, следовательно, полу­чить пар высоких параметров, а также довести кпд блока до 41% н использовать серийное паротурбинное оборудование. Высокой температуры жидкого натрия можно достичь при низком давлении (около 0,5 МПа), поэтому толщина стенки корпуса реактора БН может быть невелика. Поскольку возможна реакция жидкого ра­диоактивного натрия с водой водопарового (третьего) контура, между ними включен промежуточный (второй) контур, заполнен­ный нерадиоактивным жидким натрием (рисунок 1.5).

 

 

           Рисунок 1.6 -Трехконтурная тепловая схема энерго­блока с реактором БН-600:

 

1— реактор, 2, 4 — натриевые насосы первого н про­межуточного контуров,   3 — пропет уточный теплообменник, 5  — питательный насос,    6 — парогенератор  с    промежуточный    пароперегревателем,    7, 8 — ЦВД  и  ЦНД турбины, 9-система конденсации, регенеративного подогрева и деаэрации. /. //, ///— первый, второй и третий контуры

На выходе из реактора БН температура натрия в первом кон­туре повышается от 380 до  550°С, на входе в теп­лообменник промежуточ­ного контура — составля­ет 520°С, а на выходе —  320°С, что позволяет гене­рировать перегретый во­дяной пар давлением 14 МПа и температурой 510°С и перегревать его между ЦВД и ЦНД тур­бины до 505 С. Тепловая  мощность реактора БН-600 обеспечивает работу преимуществ, затраты на выработку электроэнергии на АЭС с реакторами БН значительно выше, чем с реакторами ВВЭР и РБМК. [15]

  2. Методы водоподготовки

Методы водоподготовки должны выбираться при сопоставлении состава исходной воды и ее качества, регламентированного нормативными документами или качества определенного потребителем воды. После предварительного подбора методов очистки воды анализируются возможности и условия их применения, исходящие из поставленной задачи.

Чаще всего результат достигается поэтапным осуществлением несколькиМетодов водоподготовки - около 40. Здесь рассмотрены только наиболее часто применяемые.[1]

            2.1 Оборудование предочистки с осветлителями и его эксплуатация

Начальным этапом водоподготовки, как пра­вило, является освобождение ее от взвешенных примесей - осветление воды, иногда классифици­руемое как предварительная обработка.

Осветлитель является аппаратом, в котором одновременно протекают химические реакции, связанные с вводом реагентов, а также физические процессы формирования образовавшихся осадков (шлама) в объеме воды осветлителя и фильтрования обрабатываемой воды через их слой. Контактная среда в осветлителе, называемая шламовым фильтром, формируется из ранее образовавшихся и вновь образующихся частиц шлама, находя­щихся во взвешенном состоянии за счет действия восходящего пото­ка воды. Прошедшая через шламовый фильтр вода освобождается от грубодисперсных частиц, содержащихся в исходной воде и сформировавшихся в результате химических реакций в осветлителе. По­этому их остаточная концентрация обычно находится в пределах 5-

10 мг/дм , если не нарушены химический и гидравлический режимы в осветлителе. При конструировании осветлителя учитывается, что гидравлические процессы в нем включают в себя следующее:

         -поддержание во взвешенном состоянии твердых частиц, образую­щих контактную среду, восходящим потоком воды;

         -удаление избытка этих частиц из зоны контактной среды;

         -режимы движения воды в контактной среде, а также на входе в осветлитель и на выходе из него.

Осветлители используются для реализации химических и гидродинамических режимов в процессах осаждения при обработке воды коагулянтами, гашеной известью, содой, магнезитом. Схема коагуляционной установки с осветлителем приведена на рисунке 2.5 

Рисунок 2.5 -  Схема коагуляционной установки

1-исходная вода; 2- греющий пар; 3-конденсат; 4-осветлитель; 5-бак коагулированной воды; 6- насос для коагулированной воды; 7 - насос для взрыхляющей промывки  осветлительных фильтров; 5-осветительный фильтр; 9освет­ленная вода; 10-ввод реагента (щелочи) для создания требуемого значения рН; 11сброс взрыхляющей воды; 12-сброс первого фильтрата; 13-бак сбора вод взрыхления; 14-насос перекачки вод взрыхления в осветлитель; 15-продувка (дренаж); 16-бачок постоянного уровня; 17-19-техническая вода; 20-ячейка мокрого хранения коагулянта; 21-насос для раствора коагулянта; 22-расходный бак (мерник) коагулянта; 23-насосы-дозаторы коагулянта; 24-воздушный колпак.

          В осветлителе происходит смешение воды и реагентов, образова­ние шлама и отделение его от воды, т.е. осветление. Из осветлителя вода поступает в бак коагулированной воды (БКВ), а выделенный осадок — в бак шламовых вод, откуда перекачивается на шламоот-вал или на установку обезвоживания шлама. Из БКВ насосы подают воду на осветлительные (механические) фильтры, где она оконча­тельно освобождается от тех небольших количеств взвешенных ве­ществ (5—10 мг/дм ), которые поступили из осветлителя в коагулированную воду. Из механических фильтров задержанная взвесь удаляется при очередной промывке обратным потоком воды. Промывочные воды собираются в специальный бак и равномерно в течение суток перекачиваются насосом в осветлитель. Такое мероприятие помимо экономии воды, тепла и реагентов позволяет при маломутных исходных водах интенсифицировать хлопьеобразование вследствие благоприятного влияния взвеси, содержащейся в возвратных промывочных водах.

В настоящее время на различных водоподготовительных установках используются осветлители двух типов: разработанные ЦНИИ МПС (для реализации процессов коагуляции) и разработанные ВТИ (в них осуществляется известкование или известкование с коагуляцией). Конструкции осветлителей этих двух типов не имеют принци­пиальных различий, но скорости движения воды в различных зонах осветлителей выбраны разными. Это связано с характеристиками образующегося в осветлителях шлама: при коагуляции он более лег­кий, поэтому скорости подъемного движения воды должны быть бо­лее низкими, чем при известковании, так как скорость восходящего движения воды в осветлителе не должна превышать скорость осаж­дения частиц во избежание уноса их потоком воды из осветлителя. Осветлители для известкования конструкции ВТИ могут быть ис­пользованы для проведения в них коагуляции сульфатом алюминия, но с учетом вышеизложенного расчетная производительность таких осветлителей уменьшается до 0,7 номинальной при известковании.

Схема осветлителя для коагуляции приведена на рисунке 2.1

           осветлители производительностью 63, 100, 160 и 250 м /ч;

           осветлители производительностью 400, 630 и 1000 м /ч.

Конструктивное различие схем осветлителей ВТИ связано только со шламоприемными устройствами, расположенными непосредственно в корпусе шламоуплотнителя (рисунок 2.2, а) или в шламоприемных трубах (рисунок 2.2, б). Схема ра­боты осветлителей следующая. Исходная вода 1, подогретая до заданной температуры, подается в воздухоохладительные воронки 2 воздухоотделителя 3, в котором освобождается от пузырьков воздуха. Из воздухоохладителя по опускной трубе через тангенциально направленный ввод с регулирующим устройством 9 исходная вода поступает в нижнюю часть аппарата 5-смеситель воды и реагентов. При использовании промывочной воды осветлительных фильтров она направляется в смеситель по трубопроводу 4. Известковое молоко 6, раствор коагулянта 7 и ПАА 8 поступают в смеситель по радиально направленным трубопроводам, расположенным на раз­личных уровнях предусмотрен ввод коагулянта 7а в трубопровод исходной воды. Комплекс химических реакций завершается в зоне смешения, при выходе из которой начинается выделение продуктов взаимодействия в форме хлопьев, увеличивающихся в объеме и за­держивающихся при восходящем движении воды. Приданное воде тангенциальным вводом вращательное движение гасится вертикаль­ными 10 и горизонтальной 11 перегородками, имеющими отверстия диаметром 100—150 мм. Избыток шлама непрерывно выво­дится с помощью шламоудаляющегося устройства 14, для чего часть общего расхода воды отводится из контактной зоны в шламоуплотнитель («отсечка»). После взвешенного шламового слоя вода проходит через зону ос­ветления 16, верхнюю распределительную решетку 17 и сливается через  отверстия в желоб 18.

 

  

        Рисунок 2.1 - Схема осветлителя для коагуляции типа ЦНИИ-2:

1- вход воды; 2 - воздухоотделитель; 3 - распределительная труба- 4 - сопло-

5-вертикальная перфорированная перегородка 6-шламоприемное окнс 7-шламоуловитель 8-«стакан»; 9 - верхняя распределительная решетка- 10 – кольцевой желоб; 11 – задвижка отсечки; 12 – трубопровод отсечки; 13 – распределительное устройство с успокоительной перегородкой; 14 – выход обработанной воды; 15 – ввод коагулянта; 16 – линия непрерывной продувки; 17 – линия периодической продувки; 18 – задвижка на линии опорожнения осветлителя; 19 – дренажная задвижка; 20 – кран с пневмоприводом; 21 – воронка; 22 – пробоотборные точки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 - Схемы осветлителей СКБ ВТИ для известкования:

а) - осветлители производительностью 63, 100, 160, 250 м /ч;  б) - осветлители производительностью 400, 630, 1000 м3/ч.

               Далее она направляется в распределительное устройство 19, смешивается с осветленной водой, посту­пающей из шламоуплотнителя, и по трубопроводу 20 отводится в бак известкованной воды.

        Шлам, поступивший с отсечкой, оседает в нижней части шламоуплотнителя и по трубопроводам 23 (непрерывная продувка) и 24 (периодическая продувка) удаляется из него через измерительную шайбу 25. Для опорожнения и заполнения шламоуплотнителя преду­смотрен трубопровод 29. Осветленная в шламоуплотнителе вода со­бирается перфорированным коллектором 21 и отводится по трубо­проводу 22 в распределительное устройство 19.

На отводящей трубе имеется дроссельная заслонка 28, обычно управляемая дистанционно, которая регулирует расход воды, посту­пающей через шламоуплотнитель. На этом же трубопроводе уста­новлена задвижка 31, которая открыта при работе осветлителя и за­крыта при промывке коллектора шламоуплотнителя водой, подавае­мой по трубопроводу 30. По этому же трубопроводу подается вода для обмывки желоба 18 и решетки 17.

       Для сбора крупного оседающего шлама и песка, поступающего с исходной водой, служит грязевик 26, из которого грубые частицы периодически удаляются по трубопроводу 27, он же используется для опорожнения осветлителя.

       Основные параметры, характеризующие работу осветлителя в конкретных условиях (производительность, характеристики шла­ма, значение непрерывной продувки и частота периодических про­дувок шламоуплотнителя и грязевика, качество обработанной воды), уточняются при наладке осветлителей.

        Характеристики осветлителей конструкции ВТИ приведены в таблице 2.1

        Суммарная производительность осветлителей, баков и насосов осветленной воды должна выбираться с запасом 10 % расчетной производительности ВПУ. Работа осветлителей для известкования конструкции ВТИ в дополнение к требованию стабилизации темпе­ратуры обрабатываемой воды в пределах 1°С предусматривает вы­полнение следующих условий:

         -ограничение содержания взвешенных веществ в исходной воде в паводок до 800 мг/дм, в остальное время года до 200 мг/дм3 при общем количестве образующегося осадка до 1500 мг/дм3; [2]

        Таблица 2.1

Марка осветлителя

Производительность, м3

Диаметр,мм

Высота,м

Объем общий,м3

Масса конструкции,т

Нагрузочная масса, т

ВТИ-63И

63

4250

8.0

76

8.0

84

ВТИ-100И

100

5500

8.45

133

13.55

170

ВТИ-160И

160

7000

9.65

236

19.35

280

ВТИ-250И

250

9000

10.7

413

32.0

480

ВТИ-400И

400

11 000

11.9

650

55.0

705

ВТИ-630И

630

14 000

14.6

1240

88.0

1400

ВТИ-1000И

1000

18 000

16.5

2127

147.0

2350

 

        2.2 Эксплуатация установок с осветлителями

При эксплуатации осветлителей осуществляются два вида контроля: технологический и химический, проводимые по заданному графику. Их результаты сравниваются с данными режимных карт, и при отклонении контро­лируемых показателей от рекомендуемых значений оперативный персонал должен восстановить оптимальный режим работы осветлителей.

        Для контроля дозирования реагентов, качества и количества шла­ма в различных элементах и зонах осветлителя, качества осветлен­ной воды на выходе из шламоуплотнителя и осветлителя последние оборудуются пробоотборными точками, места расположения которых показаны на рис. 2.3.

         На установках с осветлителями оперативный технологический контроль предусматривает:

        -приготовление рабочих растворов известкового молока, коагулянта, ПАА и при необходимости щелочи;

        -поддержание постоянной температуры обрабатываемой воды в интервале 30—40 °С с колебаниями не более 1 °С;

          -поддержание  режима возможного изменения нагрузки.

          Резкое увеличение расхода воды приводит к выносу шлама. При увеличении нагрузки расход воды следует увеличивать плавно, без скачков более чем на 10 % в течение 10—15 мин. Снижение нагрузки допускается производить быстро;поддержание нормального уровня в баках осветленной воды;

 

         Таблица 2.2 - Примерное изменение качества воды и сезонных доз реагентов для предочистки

Показатель

Зима

Весна(паводковый период)

Лето

Жесткость общая, мг-экв/дм

7.8

2.0

4.5

Концентрация натрия, мг/дм

12

5

8

Щелочность общая, мг-экв/дм

4.8

1.8

3.2

Концентрация сульфатов, мг/дм3

ПО

70

95

Концентрация хлоридов, мг/дм3

13

6

10

Кремнесодержание, мг/дм

12

4

5

Окисляемость, мгО2/дм

4

25

5

Железосодержание,мг/дм

0.6

0.8

0.4

Солесодержание,мг/дм

500

280

380

Доза коагулянта,мг-экв/дм

0.2-0.5

1.0

0.2-0.8

Доза извести, мг-экв/дм

7.0

3.0

5.0

 

 

                 Рисунок 2.3-Схема расположения пробоотборных точек на осветлителе: 1-10— номера точек

         Точка 1предназначена для отбора пробы из грязевика, 2 — из зо­ны реакции, 3 — из трубопровода отсечки, 4 — из середины кони­ческой части осветлителя, 5 — из шламоуплотнителя (нижняя), 6 — из цилиндрической части осветлителя (нижняя), 7 — из шламоуп­лотнителя (верхняя), 8 — из корпуса осветлителя на уровне шламоприемных окон, 9 — из зоны осветления, 10 — из трубопровода ос­ветленной воды.

                При работе осветлителя каждые 2 ч отбираются пробы из всех пробоотборных точек для визуального контроля за качеством шлама и химического контроля за процессом и качеством осветленной воды, требуется

строгое поддержание установленных дозировок вводимых в осветлитель реагентов;

        -поддержание продувочного режима, которое производится с по­мощью непрерывной и периодической продувок и изменением отсечки воды на шламоуплотнитель;

        -поддержание верхней границы шлама на уровне шламоприемных окон;

        -поддержание требуемых характеристик шлама.

        Шлам должен об­ладать творожистой структурой и быть однородным с оседанием всей массы одновременно при контроле его качества в пробе; при визуальном контроле за качеством шлама отбор проб воды со шламом в цилиндр диаметром 40—60 мм высотой 250—350 мм. По­сле определенного времени отстоя измеряется высота столба шлама, регулирование уровня шлама, которое производится автоматиче­ски с применением сигнализатора (СУШ) или вручную изменением отсечки на шламоуплотнитель и его непрерывной продувкой. При превышении предельного верхнего уровня шлама увеличива­ется непрерывная продувка, отсечка при этом открыта полностью. При снижении границы шлама непрерывная продувка уменьшается, отсечка восстанавливается. Изменение непрерывной продувки про­изводится плавно — не более чем на 10% за 10—15 мин. При на­грузке осветлителя ниже номинальной уровень шлама может опус­титься ниже уровня шламоприемных окон, что определяется по от­сутствию шлама в воде соответствующей пробоотборной точки. В этом случае полностью закрывается непрерывная продувка до по­явления шлама на уровне шламоприемных окон.Объем химического контроля зависит от типа осветлителя, перио­дичность контроля по различным показателям качества воды (Жо, Що, щелочности по фенолфталеину , и др.) колеблется от 2 до 24 ч.Все записи анализов и наблюдений за работой осветлителей заносятся в суточную ведомость работы осветлителей. На основании результатов химического анализа проб устанавливается и корректируется оптимальный режим работы осветлителей.  [16]

Автоматическое управление дозированием реагентов в осветли­тель осуществляется насосами-дозаторами с различными системами управления по расходу обрабатываемой воды в пределах нагрузки осветлителей от 50 до 100 %. Для повышения точности в схему до­зирования извести по расходу обрабатываемой воды вводится кор­ректирующий сигнал рН. При сезонных изменениях качества поверхностных вод (таблица 2.3) регулировка дозы реагентов, подаваемых в осветлитель, помимо из­менения длины хода плунжера насоса-дозатора может реализоваться изменением концентрации дозируемого реагента в расходных баках (мешалках). Сочетание трех возможных видов регулирования дозы реагентов одновременно позволяет изменять ее в очень широких пределах.

           Кроме плунжерных насосов серии НД, в практику водоприготовления начато внедрение мембранных насосов-дозаторов с линейным электромагнитным приводом, оснащенных показывающим и контро­лирующим макропроцессорным устройством. .  [16]

 

           Таблица 2.3-Рекомендуемые значения рабочих концентраций реагентов для предочистки

Реагент

Концентрация раствора или суспензии

 

мг-экв/дм

По безводному продукту %

Известковое молоко

200-2000

0.6-6 (по СаО)

Полиакриламид

10 000

1

Сульфат железа

200-2000

1.5-15

Сульфат алюминия

250-2500

1.3-13

 

 2.3 Оборудование для складирования, приготовления растворов и дозирования реагентов, используемых в процессе предочистки

           В оответствии с нормами технологического проектирования при доставке извести и коагулянта железнодорожным транспортом склады должны обеспечивать прием не менее 60 т реагентов (одного вагона или цистерны) при наличии на складе к моменту разгрузки 15-суточного запаса соответствующего реагента с учетом обеспечения общего запаса не менее чем на 1 мес. При использовании извести для нейтра­лизации кислых сточных вод в системах водоочисток без известкова­ния предусматривается склад извести с запасом на 15 сут. Для извес­ти и коагулянта реализуется, как правило, мокрое хранение в железо­бетонных ячейках. Флокулянт, обычно полиакриламид, доставляют в полиэтиленовых мешках, уложенных в ящики, барабаны, в которых флокулянт хранят. Склады реагентов оборудуются устройствами для выгрузки их из вагонов, транспортировки реагентов внутри склада и приготовления растворов и суспензий с очисткой их от по­сторонних примесей. Указанные операции механизируются с исполь­зованием мостовых кранов с грейферными ковшами и талями, элек­трических и ручных талей, транспортеров и др. Склад реагентов изо­лируется от фильтровального зала. В нем должна поддерживаться температура не ниже +10 °С. Дозирование растворов и суспензий реагентов в процессе предочистки осуществляется с помощью двух насосов-дозаторов (рабочего и резервного), для пропорциональной подачи реагента в каждую точку ввода, т.е. на каждый осветлитель, устанавливаются, как минимум, два насоса-дозатора для каждого реа­гента. Число расходных емкостей растворов и суспензий реагентов предусматривается не менее двух для каждого реагента, из них каж­дая емкость рассчитывается на 12—24-часовой расход.

 2.4 Коагулянтное хозяйство

В состав коагулянтного хозяйства ВПУ входят:

          -склад мокрого хранения коагулянта, располагаемый в заглуб­ленных железобетонных резервуарах (ячейках);

          -насосы, перекачивающие и дозирующие раствор коагулянта;

          -оборудование для осветления раствора;

          -расходные баки коагулянта.

          Схема склада мокрого хранения и дозирования раствора коагу­лянта приведена на рисунке 2.4. Число железобетонных резервуаров для мокрого хранения реа­гентов должно быть не менее двух. Они могут попеременно нахо­диться в работе, загружаться реагентом или очищаться от грязи. Для защиты от действия кислого реагента все железобетонные ячейки коагулянта внутри оклеены резиной и по резине футерованы кисло­тоупорным кирпичом. Приготовление раствора в ячейках осуществ­ляется путем заполнения их водой, перемешивания для получения .Затем раствор откачивается насосом в расходные баки коагулянта. При приготовлении рабочего раствора в расходном баке коа­гулянта в него закачивается со склада определенный объем крепкого раствора и подается разбавляющая вода, далее раствор коагулянта перемешивается сжатым воздухом, проверяется концентрация при­готовленного рабочего раствора и бак с готовым раствором коагу­лянта включается в работу.

 

Рисунок 2.4 - Схема склада мокрого хранения и дозирования раствора коагулянта:

1-железобетонные ячейки мокрого хранения коагулянта; 2—насос для перекачки раствора коагулянта; 3 — фильтр раствора коагулянта; 4 — водо-водяной эжектор для удаления грязи из ячеек; 5 — гибкие плавающие шланги для забора отстоявше­гося крепкого раствора коагулянта; 6 — деревянный щит; 7 — перфорированные трубопроводы для барботажа воздуха; 5 — подвод сжатого воздуха; 9 — подвод пара; 10 — подвод осветленной воды; 11 линия крепкого раствора коагулянта; 12 — расходный бак рабочего раствора коагулянта; 13—насосы-дозаторы раствора коагулянта; 14 — к осветлителю концентрированного раствора (1000—1300 мг-экв/дм ) и отстаива­ния.

2.5 Оборудование известкового хозяйства и его обслуживание

Известковое хозяйство химического цеха рисунок 2.6 предназначено для хранения негашеной извести, приготовления известкового моло­ка и дозирования его в осветлители. Обслуживание этого хозяйства осуществляют крановщик мостового крана, аппаратчик ВПУ. Поме­щение известкового хозяйства относится к запыленным, поэтому должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией. Достав­ка сухой негашеной извести осуществляется обычно вагонами 1.  Из каждого поступившего вагона производится отбор проб извести для определения ее качества. Разгрузка извести осуществляется в железобетонную ячейку 2, заглубленную до отметки -3 м. Объем ячейки для хранения сухой извести должен быть выбран с учетом неснижаемого ее запаса для бесперебойной работы ВПУ в течение 15 суток. При пуске в работу оборудования известкового хозяйства вначале заполняются на 1/3 объема железобетонные металлизированные ячейки гашеной извести 3, затем в них грейфером 4 мостового крана 5 подается расчетное количество сухой извести (три-пять грейферов, в зависимости от объема ячейки гашения и качества поступившей извести). Ячейка дозаполняется водой по трубопроводу  9 так, чтобы вся загруженная известь была в воде.  Далее проводится перемешивание гасимой извести в ячейке

 

Рисунок  2.6 - Схема склада извести

 сжатым воздухом 10. После этого выдерживается время от 3 до 24 ч, необходимое для полного гашения извести, и проверяется концентрация известкового молока в ячейке гашения. Рабочая концентрация известкового молока, в зависимости от качества исходной воды, должна составлять 900—1300 мг-экв/дм (2,5—3,5 %). Приготовленное известковое мо­локо перекачивается насосами 6 в циркуляционные мешалки 7 через гидроциклон 8, служащий для удаления недопала и песка. Расходные мешалки комплектуются насосами циркуляции известкового молока 11 и насосами-дозаторами 12. Очистка ячеек гашения от отходов песка и недопала производится грейфером, перемещающим отходы в ячейку отходов 13, откуда они при накоплении вывозятся само­свалами.

           На ряде действующих ВПУ гашение извести производится с помощью аппаратов МИК, установленных на ячейках известкового молока. [2]

 3. Технология осветления воды на насыпных фильтрах

Технологический процесс осветления воды фильтрованием реа­лизуется,  главным образом, методом адгезионного объемного фильтрования в насыпных вертикальных осветлительных фильтрах рисунок 3.1. Осветление воды фильтрованием осуществляется через слои  зернистого насыпного материала

 Различают несколько типов фильтрования:

           процеживание - размеры пор фильтрующего материала меньше размеров задерживаемых час­тиц;

           пленочное фильтрование - при определенных условиях после некоторого начального периода фильтрующий материал обволакиваются пленкой взвешенных веществ, на которой могут задержи­ваться частицы даже более мелкие, чем размер в щелях между гранулами и волокнами фильтрующего материала;

           таким образом, грязеёмкость фильтра может быть довольно большой -больше, чем при пленочном фильтровании.

Фильтрование в тканевых, керамических, поч­ти во всех фильтрах с неткаными волокнистыми фильтрующими элементами осуществляется по первым двум - из названных - типам; в мелкозер­нистых насыпных фильтрах - по второму типу, в крупнозернистых насыпных - по третьему.

        3.1 Классификация фильтров с зернистой загрузкой

          Зернистые фильтры применяют, в основном, при очистке жидкостей, у которых содержание твердой фазы ничтожно мало, и осадок не представляет ценности, основное назначение фильтров - для ос­ветления природной воды. Именно они наиболее широко применяются в технике водоподготовки.

          Классификация фильтров по ряду основных признаков:

по скорости фильтрования:

          медленные (0,1-0,3 м/ч);

          скорые (5-12 м/ч);

          сверхскоростные (36-100 м/ч);

по давлению, под которым они работают:

           открытые или безнапорные;

           напорные;

по количеству фильтрующих слоев:

           однослойные;

           двухслойные;

           многослойные.

           Наиболее эффективны и экономичны много­слойные фильтры, в которых для увеличения грязеемкости и эффективности фильтрации загрузку составляют из материалов с различной плотностью и размером частиц: сверху слоя - крупные легкие частицы, внизу - мелкие тяжелые. При нисходя­щем направлении фильтрования крупные загряз­нения задерживаются в верхнем слое загрузки, а оставшиеся мелкие - в нижнем. Таким образом, работает весь объем загрузки. Осветлительные фильтры эффективны при задержании частиц раз­мером >10 мкм.

          3.2 Скорость фильтрования

          Скорость протекания воды через фильтрующий слой зависит от нескольких факторов: природы фильтрующего материала; характера загрязнений воды («сминаемые» частицы, например, гидрооксид железа (Fe3+), или «несминаемые», например, мелкие кварцевые песчинки); толщины фильтрующего слоя; температуры воды (например, для песчаного фильтра установлено: при увеличении температуры воды от 20 до 60°С скорость фильтрования можно увеличить вдвое - при той же эффектив­ности фильтрования).

Для песчаного фильтра скорость фильтрования можно вычислить по формуле:

                           V= 3600 • c d2 h                      (3-1)

I*(0.7+0.03*t)

           где v - скорость фильтрования, м/ч; c - коэф­фициент, примерно равный 40; d - диаметр гранул фильтрующего песка, м; l - толщина фильтрующе­го слоя, м; h - потеря напора при фильтровании, м вод. ст.; t - температура воды, °С.

          3.3 Условия применения

Фильтрование в осветлительных фильтрах при­меняется для удаления взвешенных примесей при их количестве до 100 мг/л (двухслойные фильтры) и до 50 мг/л (однослойные). Если в исходной воде значения перманганатной окисляемости больше 15 мг О/л или цветности больше 30 градусов платино-кобальтовой шкалы (двухслойные фильтры), окисляемости больше 8 мгО/л или цветности боль­ше 20 градусов - (однослойные фильтры), то необходимо предварительное коагулирование. При водозаборе из открытых водоемов коагулирование сульфатом алюминия или оксихлоридом алюминия, как правило, применяется в периоды паводков или цветения воды при показателях качества исходной воды: щелочность - до 2 ммоль/л; цветность -более 30 градусов платино-кобальтовой шкалы; перманганатная окисляемость более 5 мгО/л - при последующем обессоливании ионированием или обескремнивании, перманганатная окисляемость - более 12 мгО/л - при последующем натрий-катионировании или водород-катионировании. При этом должны пре­дусматриваться:

при недостаточной коагулируемости:

-хлор или хлорная известь;

-для укрупнения хлопьев вспомогательные реагенты:

 при недостаточной щелочности (меньше 1 ммоль/л) гидроксид натрия, карбонат и гидрокарбонат натрия, оксид кальция;

-при плохой если содержание взвешенных приме­сей в исходной воде не более 20 мг/л) - флокулянты.

3.4 Конструкции фильтров

Фильтр состоит из цилиндрического корпуса с приваренными к нему сферическими днищами. В промышленности выпускаются вертикальные однокамерные фильтры диаметрами 1,0; 1,4; 2,0; 2,6; 3,0 и 3,4 м. Внутри фильтра расположены слой фильтрующего материала и дренажно-распределительные устройства, предназна­ченные для равномерного распределения и сбора воды по площади поперечного сечения фильтра. Верхнее дренажное устройство вы­полнено в виде отбойного щита, гасящего энергию потока поступающей воды, а нижнее состоит из коллектора

 

 Рисунок 3.1 - Фильтр осветлительный вертикальный однокамерный:

1— верхнее распределительное устройство; 2 — нижнее дренажно-распределительное устройство; 3 — фильтрат; 4 — сжатый воздух, промывочная вода; 5 — спуск первых порций фильтрата; 6 — спуск промывочной воды; 7 — исходная вода; 8 — фильтрующий слой; 9 — корпус фильтра

 с боковыми отвода­ми снабженными для отвода воды и в качестве препятствия для вы­носа фильтрующего материала специальными колпачками или щеле­выми отверстиями шириной 0,4 мм.

        Фильтрующий материал насыпных фильтров должен обладать надлежащим гранулометрическим составом, достаточной механической прочностью и химической стойкостью зерен. Таким требованиям удовлетворяют дробленый антрацит и кварцевый песок, но последний, растворяясь, обогащает воду соединениями кремния. Размеры зерен антрацита должны составлять 0,6—1,4 мм для однослой­ного фильтрования. В соответствии с требованиями механической прочности (истирание материала в период взрыхления) годовой износ фильтрующего материала не должен превышать 2,5 %.

         Высота фильтрующего материала в осветлительных фильтрах со­ставляет около 1 м. Часть полости фильтра остается свободной («водяная подушка»), что необходимо для выравнивания эпюры скоро­стей воды, поступающей в фильтр, и для обеспечения возможности расширения слоя при его взрыхлении.  [2]

          Работа осветлительных фильтров подразделяется на три периода:

          1)  полезная работа фильтра по осветлению воды;

          2)  взрыхляющая промывка фильтрующего материала;

          3)  спуск первого фильтрата.

          Полезная работа насыпного фильтра (Траб) реализуется при скоростях фильтрования воды до 10 м/ч при предварительной ее обработке в осветлителях и 4—5 м/ч без предварительной обработки.

          Длительность фильтроцикла (Трабвзр.пр) рассчитывается, исходя из материального баланса при работе фильтра:

рабвзр.пр)QC=fhсл А,                                              (3-2)

 где τвзр.пр - продолжительность взрыхляющей промывки, ч; Q - расчетная производительность, м3/ч; С - концентрация примесей, г/м; f - площадь сечения фильтра, м; hсл - высота слоя, м; А - удельная грязеемкость фильтрующего материала, г/м .

          Оценить значение грязеемкости можно, исходя из следующих поло­жений. Примеси при осветлении воды задерживаются между зернами фильтрующего материала. Поскольку всегда должно оставаться свод­ное пространство для просачивания воды, осадок, как правило, не дол­жен занимать более 1/4 объема пор в фильтрующей загрузке, имею­щей пористость около 45 %. Таким образом, объем осадка, накапли­ваемого 1 м3 фильтрующего материала, составляет 450 • 1/4 = = 110 дм3. Если взвешенные вещества образованы хлопьями с массой не более 10 г на 1 дм3 сухого вещества, то количество задержанных примесей 1 м3 материала будет равно ПО-10 = 1100 г/м3. Значение грязеемкости возрастает, когда хлопья содержат плотные минеральные материалы (например, карбонат кальция). Для осадка с удельной мас­сой   40   г/дм3   по   сухому   веществу   грязеемкость   увеличивается до 1100-40 = 4400 г/м3. По опыту эксплуатации осветлительных фильтров удельная грязеемкость антрацита для воды без предварительной обработки составляет 1000 г/м, а кварцевого песка -- 750 г/м3. При предварительной обработке воды в осветлителях удель­ная грязеемкость для антрацита и песка увеличивается соответственно до 1500 и 1250 г/м3.

Во время работы осветлительных фильтров необходимо поддер­живать постоянной скорость фильтрования, контролировать перепад давления на слое фильтрующего материала и расход воды, отбирать пробы исходной воды и фильтрата для определения прозрачности.

При повышении перепада давления до 0,1 МПа, содержания ГДП

до 1 мг/дм3 или по графику фильтр отключают на промывку для уда­ления задержанных ГДП.

Основным этапом промывки является водная промывка потоком воды «снизу-вверх». Интенсивный поток промывочной воды, подни­маясь, разрыхляет и переводит во взвешенное состояние весь фильтрующий слой, расширяющийся при этом на 40—50 %. Это дает возможность зернам фильтрующего материала свободно и хаотично перемещаться в потоке воды и при столкновении счищать прилипшие к ним частицы взвеси.

Скорость воды при взрыхляющей промывке характеризуется интенсивностью промывки , дм 3/м2 • с), под которой подразумевают cкундный расход воды, дм , через 1 м   площади сечения фильтра.

Интенсивность промывки должна обеспечивать вымывание осадков, но не вынос рабочих фракций фильтрующего материала.

Значение интенсивности промывки зависит от типа материала, раз­мера его зерен и обычно составляет для антрацита 10—12 дм3/(м2 • с), а для более тяжелого кварцевого песка - 15—18 дм3/(м2-с). Расчетная продолжительность промывки  составляет 20 мин. Объем воды, расходуемый на взрыхление осветлительного фильтра и насыпных фильтров иного назначения, м, определяется по формуле

                                              (3.3)

          По окончании водной промывки первый мутный фильтрат в тече­ние около 5 мин сбрасывается в бак, в котором собираются также во­ды взрыхления. В целях экономии промывочные воды вместе со шламом и первый фильтрат из бака равномерно в течение суток откачиваются насосом и подаются в осветлитель.

В одной промывке может предшествовать обработка фильтрую­щего материала сжатым воздухом после спуска водяной подушки или водовоздушная промывка при одновременной подаче в нижнее дренажно-распределительное устройство сжатого воздуха и промы­вочной воды. Конкретизация режимов промывки осветлительных фильтров проводится в период их наладки.

На ВПУ большой производительности для снижения площади, занимаемой механическими фильтрами, и экономии металла применяют трех- и двухкамерные фильтры (рис. 3.2) диаметром 3,4 м. Камеры в таких фильтрах работают параллельно.

В механических фильтрах насыпного типа, предназначенных для очистки конденсата турбин и возвратных производственных конден­сатов от продуктов коррозии Ре и Си, используют в качестве загруз­ки катионит сульфоуголь при температуре конденсата не выше 50 °С либо катионит марки КУ-2-8 при температуре до 100 °С. Скорость фильтрования конденсата принимается равной 30 м/ч для сульфоугля и 50 м/ч - для катионита КУ-2-8.

Обработка вод и конденсатов, содержащих нефтепродукты (масло, мазут), на заключительной стадии производится также методом фильтрования последовательно через фильтры первой ступени, за­груженные дробленым антрацитом, и сорбционные фильтры второй  ступени, загруженные активированным углем, со скоростью фильт­рования 5—7 м/ч. (рис.3-3) Фильтры первой ступени снижают со­держание нефтепродуктов с 10—-15 до 2—4 мг/дм, а фильтры вто­рой ступени — с 2—4 до около 0,5 мг/дм, что позволяет использо­вать очищенную воду повторно в цикле ТЭС.

  

               

Рисунок  3.2 - Двухкамерный осветительный фильтр:

1 — верхние распределительные устройства; 2 — анкерная труба для выравнивания давления между камерами; 3 — подвод промывочной воды; 4 — выход фильтрата; 5 — спуск первых порций фильтрата; 6— выход промывочной воды; 7 — обрабатываемая вода; 8 — нижние дренажно-распределительные устройства

    

          Рисунок 3.3 -Принципиальная схема очистки вод от нефтепродуктов:

1— приемный бак-отстойник; 2 — насос; 3 — механический фильтр; 4 — сорбци-онный фильтр с активированным углем; 5 — насос для промывки фильтров; б — бак для промывочной воды; 7 — пробоотборные устройства; 8 — подвод воды на очи­стку; 9 — очищенная вода; 10 — нефтепродукты на сжигание. [2]

           3.5 Очистка конденсатов электромагнитными фильтрами

Для удаления из турбинного конденсата ферромагнитных про­дуктов коррозии Fе на мощных энергоблоках ТЭС и АЭС использу­ются электромагнитные фильтры (ЭМФ) с единичной производительностью 1000 м /ч (рисунке 3.5). Корпус ЭМФ заключен в электромагнитную катушку на высоту, равную слою загрузки. Обезжелезивание конденсата в ЭМФ происходит вследствие намагничивания стальной шариковой загрузки с диаметром шариков 6—7 мм и задер­жания в ней частичек ферромагнитных оксидов железа и шпинелей, которые откладываются в межпоровых объемах вокруг магнитных полюсов контактирующих шариков. При работе фильтра исходный конденсат под давлением до 1,0 МПа поступает на обработку в ЭМФ, проходит снизу вверх через слой шариковой загрузки и отводится из фильтра при номинальной скорости фильтрования до 1000 м/ч при потере давления 0,13 МПа. В процессе эксплуатации фильтра контролируется степень обезжелезивания конденсата, которая достигает 50—90 % при остаточном со­держании Fе менее 5 мкг/дм . Железоемкость ЭМФ составляет около 2 г/кг шариковой загрузки при ее массе 6500 кг в ЭМФ-1,1-1,0/1000. По окончании рабочего цикла ЭМФ отключается, после чего осуще­ствляется промывка его, которая происходит в следующем порядке (рисунке З-4): открывают байпасную задвижку 7 и закрывают задвижки на лини­ях 1 и 2; с катушки снимают электрическое напряжение для размагничива­ния шариковой загрузки;открывают задвижки на линиях 3 и 4, и фильтр в течение 2 мин промывается водой в направлении снизу вверх с расходом 800—1400 м3/ч;по окончании промывки закрывают задвижки на линиях 3 и 4; на катушку подают электронапряжение; открывают задвижки на линиях 7 и 2 и закрывают байпасную задвижку 7, после чего ЭМФ считается введенным в работу.

Управление технологическим режимом ЭМФ осуществляется устройствами автоматики и питания. Электромагнитная катушка рассчитана на создание магнитного поля номинальной напряженностью 150 000 А/м.

Для большей безопасности ЭМФ должен быть огражден на расстоянии не менее 0,5 м, при этом напряженность магнитного поля за ограждением будет меньше допустимой (8 кА/м). Устройства автоматики и питания со щита с электрическим напряжением 380 В устанавливаются на расстоянии не менее 5 м. [2]

 

Рисунок 3.4 - Схема трубопроводов электро­магнитного фильтра:

1 - подвод исходного конденсата; 2 - отвод отработанного конденсата; 3—подвод промывочной воды; 4 —отвод промывоч­ной воды; 5— загрузка шариков; 6 — выгрузка шариков; 7—байпасная задвижка

 

            Рисунок 3.5 - Схема электромагнитного фильтра:

1— вход конденсата; 2—выход конденсата; 3 — слив конденсата в дренаж при промывке фильтра; 4 — намагничивающиеся шарики из углеродистой стали; 5— электрическая катушка для создания магнитного поля; 6— корпус фильтра из немагнитной аустенитной стали

          3.6 Очистка конденсатов на намывных фильтрах

          Как турбинный, так и производственный конденсаты обычно бы­вают загрязнены оксидами железа и меди, образующимися в резуль­тате коррозии трубопроводов, баков, конденсаторов и теплообмен­ников. Оксиды и гидроксиды Fе находятся в конденсате преимуще­ственно в коллоидной и грубодисперсной формах. Попадая в воду котлов, реакторов, парогенераторов, продукты коррозии участвуют в образовании отложений на теплопередающих поверхностях, а переходя в пар,— на лопаточном аппарате турбины. В пусковые периоды работы энергооборудования концентрация продуктов коррозии в конденсатах может достигать 100—1000 мкг/дм, снижаясь в период стабильной эксплуатации до 10—30 мкг/дм3 при нормируемых их в фильтр и выходе из него, отключая фильтр на промывку при достижении заданного перепада давления. Для очистки вод от взвешенных продуктов коррозии в ряде схем применяют аппараты с намывными элементами, на поверхность, которых перед началом фильтроцикла намывается тонкий слой фильтрующего порошка. При этом фильтрующие элементы служат лишь подложкой для намывного слоя. Фильтрующий порошок должен иметь фракционный состав 10-60 мкм, быть химически стойким, с низким содержанием растворенных примесей. Таким требованиям отвечает фильтроперлит - фильтровальный порошок на алюмосиликатной основе. Кроме того, в намывных фильтрах используют порошкообразные ионообменные смолы (смеси катионита и анионита), благодаря чему можно сочетать механическое фильтрование и обессоливание воды. Наличие электрического заряда на поверхности фильтровальных порошков определяет процесс удаления примесей не только как чисто механический, но и как результат электростатического взаимодействия заряженных частиц слоя и коллоидов. Намывные фильтры изготавливают из нержавеющей стали. Работа фильтра состоит из трех стадий:

         -намыва фильтрующего слоя;

         -рабочего фильтроцикла;

         -смыва с фильтровальных патронов отработанного материала вместе  с задержанными взвешенными примесями.

         Периодически после 30-50 циклов или при значительном сокращении рабочего периода за счет загрязнения фильтрующих элементов намывной фильтр подвергают химической очистке, используя для этого горячие растворы едкого натра и щавелевой кислоты.

         Удаление отработанного рабочего материала проводят обратными потока­ми воды и воздуха, т.е. в направлении от внутреннего канала фильт­рующего элемента к его внешней поверхности. Смытый материал отводится из нижней конусообразной части фильтра в дренаж, так как используется однократно. На очищенные фильтрующие элемен­ты намывается слой свежего порошкообразного материала.

          Намывные фильтры характеризуются большей компактностью и примерно в 3 раза меньшим количеством сбросных вод по сравнению с насыпными фильтрами, работают лучше, однако эксплуатация их сложнее. Намывные фильтры также используются на АЭС в системах байпасной очистки вод реактора и контура системы управления и защиты (СУЗ), для очистки замасленных вод взрыхле­ния. Эксплуатация перлитных намывных фильтров позволяет поддерживать концентрацию продуктов коррозии в очищенном конденсате не более 5мкг/дм3, а масла около 0,1 мн/дм3. Таким об­разом, важными являются как выбор собственно методов обработки воды, так и их последовательность. [3] [1]

3.7 Натрий-катионирование

         3.7.1 Критерии применимости метода

Пределы применения натрий-катионирования для подготовки добавочной воды паровых кот­лов и других энергетических объектов зависят, с одной стороны, от необходимости предотвратить преждевременное прекращение или ухудшение работы катионита, а с другой - от технических осо­бенностей конструкции котлов. Предусматривает­ся оценка пяти критериев.

          3.7.2  Карбонатная жесткость исходной воды

Карбонатная жесткость исходной воды при натрий-катионировании и последующей атмосфер­ной термической деаэрации может принимать сле­дующие значения:

          -для паровых котлов и закрытых систем теп­лоснабжения - практически любое (растворимость солей карбонатной жесткости такова, что в реаль­ных условиях значение карбонатной жесткости поверхностной воды больше 7 ммоль/л не бывает; карбонатная жесткость подземной (артезианс­кой) воды при попадании ее на поверхность также уменьшается до значений не больше 7 ммоль/л);

для открытых систем теплоснабжения и систем горячего водоснабжения - не более 4 ммоль/л.

           В случае необходимости уменьшения карбонат­ной жесткости схема аммоний-натрий-катионирования или натрий-катионирования подкисления может оказаться экономичнее схемы водород-катионирования с «голодной» регенерацией.

          При вакуумной термической деаэрации, то есть при температуре 65-70°С гидрокарбонат натрия не разлагается, и водородный показатель (рН) воды не увеличивается. Однако это свойство вакуумной деаэрации не может служить основанием для уве­личения предела значений. Коррозионные трещины не развиваются, если соблюдается отношение:

 

([NaSO4 ]+ [NaCO3 ]+ [Na3PO4]+ [NaNO3]) / [NaOH] ≥ 5,              (3-4)

         где NaSO4, NaCO3, NaPO4, [NaNO3] [NaOH] - содержание в котловой воде соответс­твенно сульфата натрия, карбонатной жесткости (больше 4 ммоль/л), так как разложение гидрокар­боната натрия происходит в водогрейном котле, а по нормам качество подпиточной и сетевой воды должно быть одним и тем же.  [1]

          Когда нагрев воды предусматривается в теп­лообменниках до температуры 65-70 °С, натрий­-катионирование с вакуумной термической деаэра­цией может быть применено при любом значении карбонатной жесткости исходной воды.

          3.7.3 Количество и качество сточных вод

Наиболее простой из всех ионообменных мето­дов – натрий-катионирование, но при его осущест­влении возникают минерализованные сточные воды, сброс которых в канализацию и природные водоемы ограничен. Способы очистки таких сточных вод сложны, дороги, и на большинстве объектов сточные воды сбрасываются в канализацию без очистки.

           3.7.4 Допустимое качество исходной воды

Для уменьшения загрязнения катионита качес­тво исходной воды перед катионитным фильтром должно быть в пределах норм, не более:

          -содержание взвешенных примесей - 8 мг/л;

         -цветность - 30 градусов платинокобальтовой шкалы;

          -содержание железа - 0,3 мг/л;

          -окисляемость перманганатная - 5 мгО/л.      

          С помощью параллельноточного натрий-катионирования общую жесткость исходной воды можно уменьшить до пределов, указанных в таблице 3.1.

Таблица 3.1- Жесткость воды после натрий катионирования

Жесткость общая воды после натрий катионитных фильтров

Минерализация исходной воды

≤200

200-500

500-800

800-1200

>1200

10

20

30

50

>50

 1 ступень мкммоль/л

10

20

30

50

>50

2 ступень мкмоль/л

2-4

5

10

20-30

>30

           Для достижения нормативных значений жест­кости обработанной воды при значениях минера­лизации исходной воды больше указанных, могут быть предусмотрены способы (отдельно или в со­четании друг с другом): противоточное фильтро­вание, трехступенчатое натрий-катионирование, нагрев обрабатываемой воды и регенерационного раствора реагента до температуры, допускаемой конструкцией фильтра и фильтрующим материа­лом, магнитная обработка воды перед натрий-катионированием, применение катионитов большой обменной емкости.

           3.7.5 Объем катионита в фильтре

Объем катионита в фильтре нужно определять по формуле:

                               Wк = 24 • qу • Жисх / nр • Ера бNa, м3,                             (3-2)

          где q-расход умягченной воды, м3/ч; Жоисх - общая жесткость исходной воды, моль/м3; ЕNaраб - рабочая обменная емкость катионита при натрий-катионировании, моль/м3;  пр - количество регенераций фильтра в сутки,

            -принимаемое при ручном управлении - от одной до трех в сутки,

            -при автоматизированном управлении - по технической документации производителя оборудования

                                    Ераб =α βNa  • Еполн   - 0,5 • q∙ Жи                      (3-3)

           где aNa - коэффициент эффективности регене­рации натрий-катионита, учитывающий неполноту регенерации катионита и принимаемый по соот­ношениям (при параллельноточном катионировании):

Таблица 3.2 – Зависимость коэффициента регенерации от удельного расхода хлорида на регенерацию

Удельный расход натрий хлорида на регенерацию катионита, г/моль

100

150

200

250

300

Коэффициент эффективности регенерации катионита aNa

0,62

0,74

0,81

0,86

0,90

βNa - коэффициент, учитывающий уменьшение обменной емкости катионита по Са2+ и Mg2+ вследс­твие частичного задержания катионов Na+, прини­маемый по соотношениям: Здесь CNa - концентрация натрия в исходной воде (моль/м3), то есть CNa = [Na+]/23; [Na+] - концентрация ионов натрия, мг/л; Еполн - полная динами­ческая емкость катионита (моль/м3), определяемая по паспортным данным производителя катионита; дуд - удельный расход воды на отмывку катионита (м3 на 1 м3 катионита), принимаемый по паспорт­ным данным производителя.

Таблица 3.3

CNa2 / Жоисx

0,01

0,05

0,1

0,5

1,0

5,0

10,0

ΒNa

0,93

0,88

0,83

0,70

0,65

0,54

0,50

          При выключении одного фильтра на регенера­цию в других фильтрах допускается кратковремен­ное увеличение скорости фильтрования на 10 м/ч.

          При противоточном натрий-катионировании скорость фильтрования воды через слой катионита можно увеличивать до 35-40 м/ч, то есть при прочих равных условиях производительность противоточного фильтра больше, чем у параллельноточного фильтра, на 50-100

3.7.6  Расход хлорида натрия для регенерации катионита

Расход хлорида натрия для одной регенерации фильтра I ступени определяется по формуле

                   Рc = fк Нк ∙ Ераб Na Qc / 1000, кг/рег.,                                     (3-4)

где f к - площадь фильтрования фильтра, м2; Нк - высота слоя катионита в фильтре, м; Ераб - рабочая обменная емкость катионита, моль/м3; Qc - удельный расход хлорида натрия на 1 моль обменной емкости катионита, г/моль, при­нимается по паспортным данным производителя катионита, обычно (в зависимости от жесткости исходной воды): 100-300 г/моль - для фильтров I ступени, 300-400 - для фильтров II ступени, 90-130 - для противоточных фильтров. [1]

           3.7.7  Качество воды после натрий-катионирования

Жесткость. После прямоточного, параллельноточного натрий-катионирования общая жесткость исходной воды в зависимости от минерализации исходной воды может быть уменьшена до преде­лов, указанных в таблице 3.3

          При противоточном одноступенчатом натрий-катионировании можно достигнуть такого же уменьшения жесткости, как и при двухступенчатом прямоточном натрий-катионировании

          Щелочность воды и водородный показатель (рН) в среднем на протяжении

цикла фильтрования не изменяются, оставаясь равными первона­чальным значениям.

          Минерализация после натрий-катионирования увеличивается вследствие того, что эквивалентная масса иона натрия несколько больше эквивалент­ных масс ионов Ca2+ и Mg2+. Увеличение происхо­дит на значение

                       ∆М = 0,148 • [Ca2+] + 0,891 • [Mg2+],                                        (3-5)

что следует из уравнения:

                  ∆М = (Ca2+/20,04) • 23 + (Mg2+/12,16) • 23,                           (3-6)

где Ca2+, Mg2+ - ионы кальция и магния; 20,04; 12,16 - эквивалентная масса ионов кальция и маг­ния соответственно, мг/ммоль (мг/экв); 23 - экви­валентная масса иона натрия, мг/ммоль (мг/экв).

Если учитывать наличие в воде ионов калия, то эквивалентную массу суммы ионов натрия и калия следует принимать условно равной 25.

          Объем умягченной воды  в фильтре за один цикл, м3:

                                  Q = (Ераб№а Wк) / Жо исх,                                             (3-7) 

           где Ераб№а - рабочая обменная емкость катионита, моль/м3; другие обозначения смотри  выше.

 

Рисунок 3.8 – Схема  Nа - катионирования

а – подвод осветленной воды; б – выход обработанной воды; Nа 1- натрий-катионитовый фильтр первой ступени; Nа 2 - натрий-катионитовый фильтр второй ступени (барьерный).

  3.7.8 Водород-катионирование с «голодной» регенерацией карбоксильных катионитов

Водород-катионирование с «голодной» регене­рацией катионита серной кислотой традиционно осуществляется на сульфоугле. Oсновной недоста­ток этого метода - малое значение рабочей обмен­ной емкости сульфоугля большое количество фильтров и как следствие, большой расход воды на собственные нужды фильтров.

          Применение «голодной» регенерации для силь­нокислотного катионита на примере катионита марки КУ-2-8 технологически и экономически не оправдано. Во избежание гипсования катионита приходится ог­раничиваться концентрацией серной кислоты не более 1% при скорости регенерационного потока 9 м/ч. Рабочая обменная емкость катионита не пре­вышает 160 моль/м3.

При применении 10%-ной соляной кислоты (скорость регенерационного потока 2 м/ч) были получены улучшенные результаты. Рабочая об­менная емкость катионита составила примерно 500 моль/м3.

В последние годы используют метод «голодной» регенерации слабокислотных карбоксильных кати­онитов. В частности, катионит марки Амберлайт IRC-86 - гелевый акриловый  фирма-производи­тель «Ром и Хаас».  

Рабочая обменная емкость этого катионита по кальцию и магнию - 1600-2600 моль/м3. Катионит способен также обезжелезивать воду – поглощать ионы Fe2+. Гранулометрический состав катионита значительно лучше, чем у сульфоугля, что позво­ляет фильтровать воду с большими скоростями - до 40 м/ч.

          Регенерацию катионита IRC-86 проводят при почти стехиометрических количествах серной кис­лоты - превышение на 4-10%.

           Полная рабочая обменная емкость катионита -4100 моль/м3.

           Рабочая обменная емкость, по данным фир­мы-производителя, определяется:

Е б = Ера босн • А • В, моль/м3,                      (3.8)

            где  Ераб°сн - «основная» рабочая емкость, зави­сящая от отношения жесткости

к щелочности ис­ходной воды, моль/моль, А - коэффи­циент - функция суммы катионов и температуры исходной воды, безразмерный, В - коэффициент безразмерный, зави­сит от ионной нагрузки на фильтр (произведение значения карбонатной жесткости воды и времени работы фильтра) – таблица 3.4

            Таблица 3.4

Ионная нагрузка на фильтр, (ммоль/л) . ч

Коэффициент В

30

0,58

60

0,79

80

0,87

100

0,93

120

0,97

>140

1,00

Взрыхление слоя катионита производится при скорости не менее 15 м/ч. Концентрация серной кислоты при регенерации - не более 0,7% при тем­пературе воды 15°C  Высота слоя катионита, скорость регенерационного потока и концентрация серной кислоты опреде­ляются опасностью загипсовывания катионита: для предотвращения осаждения на нем сульфата каль­ция в виде CаSO4 • 2 H2O нужна скорость регенера­ции не менее 15 м/ч и высота слоя не более 1,5 м. [1]

          3.7.9  Фильтрующие материалы и регенеранты

В качестве регенеранта для водород-катионирования следует предусматривать кислоту серную (или хлористоводородную при наличии оборудова­ния, конструкция которого допускает применение хлористоводородной кислоты). При водород-катионировании с «голодной» регенерацией в качест­ве фильтрующего материала должны применяться слабо- или среднекислотные катиониты, регенери­руемые серной кислотой.

          Этими методами можно достигнуть таких же ре­зультатов по качеству воды  при натрий-хлор-ионировании. [1]

 4 Декарбонизация воды

           4.1 Применение метода

 Декарбонизация - удаление оксида углерода (IV), выделяющегося в процессах водород-катионирования  и анионирования. Удаление его из воды перед сильноосновными анионитными фильтрами необходимо, так как в присутствии CO2 в воде часть рабочей обменной емкости анионита будет затрачиваться на погло­щение CO2 .

 Традиционно для удаления из воды углекисло­го газа используют декарбонизаторы - аппараты, заполненные различными распределителями воды (чаще - насыпными, например, кольцами Рашига, Палля и др.), называемыми насадкой, или без за­полнителей, и продуваемые воздухом навстречу водному потоку. В зависимости от схемы декарбонизатор может быть установлен после первой или второй ступени водород-катионирования, или после первой (слабоосновной) ступени анионирования. Последняя схема чаще используется в за­рубежных разработках.

Распространение получают эжекторные (ваку­умные, струйные) аппараты. Их работа основана на создании высокоскоростного потока в эжекторном   устройстве, в котором происходит вакуумирование потока с последующим подсосом воздуха в воду и его отдувкой. При небольших габаритах та­кая конструкция обеспечивает большую произво­дительность и высокую эффективность удаления газов. В данном случае - свободного CO2.

Hа небольших станциях водоподготовки и при небольшом содержании в исходной воде бикарбо­натов используют схему подготовки воды без де-карбонизаторов. [1]

         4.2 Расчетные параметры

         Концентрация растворенного в воде углекисло­го газа после водород-катионирования, в отсутс­твие аналитических данных, может быть определе­на по формуле:

CO = (44 Жк + COисх 2 ) / 1000                                 (4-1)

          где CO2 - концентрация углекислого газа в воде, поступающей в декарбонизатор, мг/л; Жк - карбо­натная жесткость исходной воды, разрушаемая в процессе водород-катионирования, ммоль/л; COисх - концентрация растворенного в исходной воде равновесного свободного углекислого газа, мг/л.

         При других значениях сухого остатка исходной воды концентрация свободного углекислого газа определяется по формуле:

                                             CO2исх = CO2таб• а                                               (4-2)

          где CО2,таб - концентрация, определенная по но­мограмме, мг/л; а - поправочный коэффициент, определяемый в зависимости от значений сухого остатка:

         Таблица 4. 1

Сухой остаток, мг/л

100

200

300

400

500

750

1000

Поправочный коэффициент а

1,05

1,0

0,96

0,94

0,92

0,87

0,83

 В большинстве приведенных выше схем обессоливания име­ются специальные аппараты для удаления из воды свободной углекислоты, называемые декарбонизаторами.

В настоящее время при обессоливании вод поверхностных источников наиболее широко применяют так называемые пле­ночные декарбонизаторы с деревянной хордовой насадкой или с насадкой из колец Рашига. Такие декарбонизаторы работают в условиях противотока воды и воздуха, подаваемого снизу спе­циальным  вентилятором.

На рисунке 4.1 показан декарбонизатор с деревянной хордо­вой насадкой, разработанный ГПИ Промэнергопроект. В таблице 4.2 приведены размеры и характеристики декарбонизаторов.

          Декарбонизатор, показанный на рисунке 4.1, представляет со­бой стальной цилиндрический корпус, заполняемый на некото­рую высоту, устанавливаемую расчетом, щитами деревянной хордовой насадки. Щиты выполняют так, чтобы доски одного ряда перекрывали прозоры между досками следующего ряда. Декарбонизуемая вода входит сверху через боковой патрубок и равномерно распределяется специальной  распределительной плитой по поверхности насадки. Через нижний боковой патрубок от вентилятора подают воздух, который поднимается вверх навстречу воде. Вода, прошедшая декарбонизатор, через водяной затвор сливается в резервуар, который часто распола­гают прямо под днищем декарбонизатора. Водяной затвор у днища предотвращает прорыв воздуха в резервуар декарбонизацинной   воды. Вода, прошедшая декарбонизатор, через водяной затвор сливается в резервуар, который часто распола­гают прямо под днищем декарбонизатора. Водяной затвор днища предотвращает прорыв воздуха в резервуар декарбонизовнной  воды. Внутренняя поверхность стального корпуса декарбонизатора должна быть защищена противокоррозийным покрытием. К недостаткам деревянных насадок относятся способность загнивать и сравнительно малая удельная поверхность. С этой точки, зрения значительно лучшей насадкой являются кольца Рашига. Декарбонизаторы, загруженные кольцами Рашига, за­нимают меньше площади и имеют меньшую высоту; они обеспе­чивают более устойчивый эффект дегазации. Кольцо Рашига представляет собой полый цилиндр с равными высотой и наружным диаметром  (ГОСТ 748—41.  Кольца Рашига кислотоупорные керамические).

          Наша промышленность выпускает керамические кольца Рашига  размерами 25×25×3 (высота — наружный диаметр —толщина стенки в мм), 35×35×4, 50×50×5 и больших разме­ров. Для уменьшения высоты декарбонизатора выгоднее применять кольца  более мелкого размера, так как единица объема насадки из таких колец имеет большую поверхность.         Насколько резко изменяется поверхность единицы объема колец в зависимости от их размера, видно из таблицы 4.2, где приведены ха­рактеристики трех размеров керамических колец, выпускаемых

Таблица 4.2 Размеры и характеристики  декарбонизаторов с деревянной хордовой насадкой

 Показатели 

Характеристики декарбонизаторов

внутренним диаметром DВН в мм

1000

1500

2000

Размеры в мм:

 

DК

1198

1698

2228

680

750

800

762

892

1042

120

120

180

370

570

780

480

500

530

262

262

260

 (условный)

80

100

150

(условный)

125

200

250

(условный)

25

25

25

(условный)

300

350

400

Вес в кг:

 

Металла

720

1075

1785

Дерева

335

875

1445

Конструкции

1055

1950

3230

Нагрузочный вес в m

4,5

10

19

Производительность в

30-35

70-75

125

отечественной промышленностью. Для загрузки декарбонизаторов можно применять кольца размером 25×25×3 мм, так как общее сопротивление смачи­ваемой насадки из таких колец при наиболее неблагоприятных условиях работы аппарата не превышает величины напора, развиваемого центробежными вентиляторами среднего давления обычного типа. На рисунке 4.2 показана схема декарбонизатора загруженного кольцами Рашига. Основные размеры и ха­рактеристики декарбонизаторов приведены в таблице 4.3. При обессоливании воды подземных источников, обычно поч­ти не содержащих растворенного кислорода, чтобы вода при аэра­ции в декарбонизаторах не насы­щалась кислородом и не усили­вались ее коррозийные свойства, рекомендуется применять ваку­умные дегазаторы.

       Сущность работы вакуумного дегазатора заключается в сле­дующем. Дегазируемая вода поступает в верхнюю часть дега­затора (рисунок 4.3) и с помощью того или иного устройства раз­брызгивается по всей площади поперечного сечения аппарата.

        Внутрь последнего загружают насадку (кольца Рашига или де­ревянную насадку той или иной конструкции), по которой дега­зируемая вода стекает вниз в виде пленки. От корпуса дегаза­тора отходит трубопровод к устройству, создающему вакуум внутри аппарата. Для этой цели могут быть использованы ва­куум-насосы, водоструйные или пароструйные эжекторы.

        Вакуум в дегазаторе должен соответствовать точке кипения дегазируемой воды или быть близким к ней. Для того чтобы вода при наличии вакуума в дегазаторе беспрепятственно стекала из него в резервуар, дегазатор располагают на такой высоте над при­емным резервуаром, чтобы давление столба воды в отводящем трубопроводе превышало величину вакуума в дегазаторе. Для уменьшения этой высоты возможно отсасывать воду из дегаза­тора   насосом.

           Рисунок 4.1 - Декарбони­затор с деревянной хор­довой   насадкой

1-декарбонизируемая вода; 2-воздух от вентиля­тора; 3- декарбонизированная вода; 4-спуск в дренаж

Рисунок 4.2 - Декарбонизатор  с кольцами   Рашига

1-воздух и углекислота; 2- вода; 3-воздух; 4-дегазированная во­да; 5-спуск   в   дренаж

Таблица 4.3-Основные размеры и характеристики декарбонизаторов с загрузкой из колец Рашига размером 25×25×3 мм

 

 

Показатели

 

 

Характеристики декарбонизаторов

внутренним диаметром DВН в мм

1500

2010

 

Размеры в мм:

 

 

450

400

 

250

250

 

200

250

 

 (условный)

150

200

 

(условный)

200

300

 

(условный)

300

400

 

300×300

400×400

 

Вес конструкций в кг:

2400

4400

 

Нагрузочный вес в m

8

13

 

Производительность

100

~200

 

Рисунок 4.3 -  Схема     ва­куумного дегазатора

1 — подвод воды; 2 — распределительная тарелка с 180 отверстиями диаметром 3 мм в днище; 3 — патрубок для отсоса газов; 4 — отвод дегазированной воды; 5 — патрубки для водомерного :текла; 6 — разборная ре­шетка. [15]

5.  Деминерализация воды ионированием

Метод, предназначенный для уменьшения ми­нерализации воды, в том числе общей жесткости, общей щелочности, содержания кремниевых со­единений.

Ионообменный метод деминерализации воды основан на   последовательном фильтровании воды через водород-катионитный, а затем HCO3-, OH- или CO32- - анионитный фильтр. В водород-катионитных фильтрах катионы, содержащиеся в исходной воде, главным образом Cа+2, Mg+2, Na+1, обмениваются на водород-катионы по реакциям (28)-( 30). В фильтрате образуется эквивален­тное количество кислоты из анионов, с которыми были связаны катионы. Образовавшийся в про­цессе разложения гидрокарбонатов CO2 удаляется в декарбонизаторах.

В анионитных фильтрах (гидроксид-анионирование) анионы образовавшихся кислот обмени­ваются на ионы OH- (задерживаются фильтром). В результате получается деминерализованная (обессоленная) вода.

Этот метод фактически «несамостоятельный», синтетический. Он представляет собою схемный ряд вариантов сочетания разной степени сложнос­ти - в зависимости от цели обработки воды - водород-катионирования и гидроксид-анионирования. [1]

          5. 1 Условия применения метода

В ионообменные установки должна подаваться вода, содержащая соли - до 3 г/л, сульфаты и хло­риды - до 5 ммоль/л, взвешенные вещества - не более 8 мг/л, цветность - не выше 30 градусов, перманганатная окисляемость - до 7 мгО/л.

В соответствии с необходимой глубиной обессоливания воды проектируются одно-, двух- и трехступенчатые установки, но во всех случаях для удаления из воды ионов металлов применяют сильнокислотные водород-катиониты.

Для промышленных и энергетических пот­ребителей вода может быть подготовлена по одноступенчатой схеме - один катионитный и один анионитный фильтры; по двухступенчатой схеме - соответственно по два катионитных и два анионитных фильтра; по трехступенчатой схеме, причем третья ступень может быть оформлена двумя вариантами: отдельно катионитный и анионитный фильтры или совмещение в одном филь­тре катионита и анионита.

После одноступенчатой схемы: солесодержание воды - 2-10 мг/л; удельная электропроводи­мость - 1-2 мм/см; содержание кремниевых со­единений (SiO2 и SiO2-3) - не изменяется.

Двухступенчатую схему применяют для получе­ния воды с солесодержанием 0,1-0,3 мг/л; удель­ной электропроводимостью 0,2-0,8 мм/см; со­держанием кремниевых соединений (SiO2 + SiO32-) до 0,1 мг/л.

Трехступенчатая схема позволяет снизить солесодержание до 0,05-0,1 мг/л; удельную электро­проводимость - до 0,1-0,2 мм/см; концентрацию кремниевой кислоты (SiO32-) - до 0,05 мг/л.

          Для бытовых фильтров применяется односту­пенчатая деминерализация - совместная загрузка фильтра катионитом и анионитом. [1]

         5.2 Особенности ионообменной технологии

Ионообменная технология - самая применяемая сегодня для умягчения и деминерализации воды. Эта технология позволяет добиться качества воды, соответствующего нормам разных промышленных и энергетических объектов.

Исторически сложилось так, что почти все конс­трукции ионообменных фильтров - параллельно точные (прямоточные), то есть обрабатываемая вода и регенерирующий раствор движутся в филь­тре в одном направлении - сверху вниз.

По мере продвижения регенерационного рас­твора сверху вниз через слой ионита концентраци­онный напор - разность концентраций между ра­нее задержанными ионами (например, кальцием и магнием) и вытесняющими их ионами регенериру­ющего раствора (например, натрия) - становится всё меньше и меньше.

В конце своего пути «слабый» регенерационный раствор встречается со слоем ионита, содер­жащим некоторое, хотя и небольшое, количество ионов, которые нужно вытеснить из ионита. Вы­теснения не происходит. В результате следующий поток обработанной воды не достигает необходи­мого качества.

Эта особенность технологии ионного обмена, а также свойства ионитов, регенерантов и лиотропных рядов  определяют принци­пиальные недостатки ионообменной технологии очистки воды: большой расход реагентов, воды для отмывки ионита от остатков регенерационного раствора и большое количество сточных вод, качество которых не соответствует требованиям нормативных документов.

Выход из положения был найден технологами, предложившими двухступенчатое - для натрий-катионирования и трехступенчатое - для демине­рализации ионированием - фильтрование. Раз­новидностью двухступенчатого умягчения можно считать параллельноточное -противоточное филь­трование: несмотря на название, в каждом из пары фильтров осуществляется параллельноточное фильтрование.

5.3 Противоточное фильтрование

Противоточное фильтрование заключается в подаче регенерационного раствора и обрабатыва­емой воды в разных направлениях.

Преимущества противоточного фильтрования были известны давно, но промышленное приме­нение оно нашло лишь с появлением специальных конструкций фильтров и развитого производства разнообразных высокоэффективных ионитов.

При противоточной технологии ионирования на­иболее хорошо отрегенерированный катионит рас­положен в том слое, который находится на выходе из фильтра. Обрабатываемая вода проходит слои ионита со всё более увеличивающейся глубиной регене­рации, то есть концентрационный напор сохраняет­ся по всему пути воды. Тем самым обеспечивается высокое качество умягчения и деминерализации, наиболее полно используется рабочая обменная ем­кость ионита, уменьшается расход реагентов, воды на собственные нужды и сточных вод. В настоящее время известны несколько конструкций противоточного фильтрования, принципиально различающихся по направлениям потоков: поток воды - снизу вверх, регенерация - сверху вниз; поток воды - сверху вниз, регенерация - снизу вверх. [1]

         

 

 

 

 

 

 

 

5.4 Технология Швебебет

Рисунок 5.1-Технолгия Швебебет.

Одной из первых запатентованных противоточных технологий (60-е годы ХХ века) была техноло­гия Швебебет (с нем.: Schwebebett - взвешенный, плавающий слой) фирмы «Байер АГ». Разновид­ности: Лифтбет, Ринзебет, Мультистеп. Обрабаты­ваемая вода в фильтре направляется снизу вверх, регенерационный раствор - сверху вниз.

Масса ионита находится в фильтре между дву­мя дренажно-распределительными системами (трубы или плиты с перфорацией или колпачка­ми со щелями). Между слоем ионита и верхней дренажно-распределительной системой располо­жен слой инертного гранулированного материала (обычно полиэтилен) высотой 100-300 мм, защищающий верхнюю систему от засорения мелкими частицами ионита (следствие истирания или рас­калывания зерен) и от загрязнения

 

        Рисунок 5.2 – Фильтр с плавающим слоем:

А-рабочий цикл; В-регенерация; а-верхняя плита с колпачками; в-крупный инертный полимер; с-упакованная ионообменная смола; d-разжиженный слой смолы; е-нижняя плита с двойными колпачками; f-свободное пространство

Этой технологии присущи принципиальные не­достатки:

слой ионита очень чувствителен к изменению расхода обрабатываемой воды и перерывам в ра­боте: наблюдается внутрислойное перемешива­ние, уменьшающее эффект противоточного ионирования (требуется усиленная регенерация);необходимо регулярно производить взрыхля­ющие промывки, так как «мелочь» и загрязнения, скапливающиеся в верхней части слоя, могут быть унесены во время рабочего цикла в следующий фильтр или потребителю, если предварительно не взрыхлить и не отмыть слой ионита;

взрыхление вынужденно проводится в спе­циальной емкости, то есть неизбежно увеличение капитальных затрат;при желании осуществить в одном фильтре и катионирование, и анионирование - двухслойное фильтрование - требуется секционировать фильтр распределительными тарелками. следовательно, еще увеличиваются капитальные затраты. [1]

          5.5 Технология Лифтбет 

          Конструкция фильтра по технологии Лифтбет  (с нем.: Liftbett - поднятый слой) представляет со­бою две камеры,  расположенные одна над другой и разделенные дренажно-распределительной сис­темой - верхней для нижней камеры. Эта систе­ма и верхняя система верхней камеры защищены слоями «инерта». Нижняя камера заполнена ионитом только на одну треть высоты так, что оставше­еся свободное пространство служит для расшире­ния ионита во время взрыхления. Так как исходная вода проходит снизу последовательно две камеры, то слой в нижней камере воспринимает все загряз­нения исходной воды, защищая слой ионита вер­хней камеры. нижней камеры подвергается взрыхлению. Верхняя камера заполнена ионитом и «инертом» полностью. Выгрузка ионита в другую емкость для взрыхления не нужна. [1]

           5.6 Технология Ринзебет

Для технологии Ринзебет (с нем.: Rinsebett -промываемый слой) разработана следующая кон­фигурация фильтра. Несколько выше середины высоты фильтра установлена перфорированная плита, через отверстия которой свободно могут проходить гранулы ионита во время фильтрования воды снизу вверх. Под ней - дренажно-распределительная система для отвода из фильтра обрабо­танной воды.

Часть ионита - так называемый покровный слой - находится над перфорированной плитой. Во время рабочего цикла этот слой препятству­ет чрезмерному расширению основного ионооб­менного слоя и поглощает основное количество загрязнений и ионитной «мелочи». Он же обес­печивает возможность проведения взрыхляющей промывки непосредственно в фильтре, без пере­грузки ионита в специальную емкостью

Cущественное отличие этой технологии от дру­гих противоточных технологий - возможность раз­бавления регенеранта неумягченной (недеминерализованной) водой и отмывка ионитов от остатков регенерационного раствора такой же водой. Это возможно потому, что верхний покровный слой ионита поглощает ионы исходной воды, и регене-рационный раствор и отмывочная вода поступают к основному ионитному слою умягченными (деми­нерализованными). [1]

5.7 Технология Мультистеп

Фильтр, работающий по технологии Мультистеп (с нем.: Multistep - многоступенчатые, многокас­кадные слои), состоит из двух или более камер, разделенных перфорированными плитами или колпачковыми устройствами. Каждая камера, кро­ме верхней, имеет дренажно-распределительную систему, через которую поступает регенерационный раствор и отводятся сточные воды от регене­рации предыдущей камеры.

При регенерации ионита сверху вниз ионит ни­жерасположенной камеры защищен от загрязне­ния продуктами регенерации блокирующим пото­ком воды навстречу указанным продуктам.

По технологии Мультистеп можно в одном филь­тре провести все операции по умягчению и деми­нерализации воды. [1]

5.8 Технология Амберпак

Технология Амберпак (с англ.: Amberpack - янтар­ный слой) фирмы Rohm & Haas («Ром и Хаас») предус­матривает загрузку всего объема фильтра ионитом, без инертного материала. Как и в описанных выше тех­нологиях, обрабатываемая вода движется снизу вверх, регенерирующий раствор - сверху вниз. Взрыхляющая промывка в таком фильтре невозможна - иониту неку­да расширяться. Поэтому предусмотрена периодичес­кая выгрузка нижнего (фронтального по отношению к исходной воде) слоя ионита в специальную емкость для отмывки от взвешенных примесей.

Технология очень чувствительна к содержанию в воде взвешенных веществ.

Технология UFD

Технология UFD компании Degremont («Дегре-мон») предусматривает так же, как в технологии Амберпак, заполнение ионитом всего объема фильтра, но направление потоков другое - обра­батываемая вода движется сверху вниз, регенери­рующего раствора - снизу вверх.

Технология по системе с противодавлением

Cуществует несколько работающих конструк­ций противоточной ионообменной технологии по системе с противодавлением. Одна из таких сис­тем разработана ВНИИАМом и ВТИ. В фильтре монтируются три (по другому варианту - четыре) дренажно-распределительных устройства: ниж­нее, верхнее, среднее и блокирующее (второй ва­риант - без четвертого специального устройства). Cредний дренаж погружен в объем ионита, и из него выводится отработанный регенерационный раствор. Обрабатываемая вода подается сверху вниз. Регенерационный раствор - снизу вверх. Во время регенерации слой ионита находится в сжа­том состоянии с помощью воды или сжатого воз­духа, подаваемого через средний дренаж.

В некоторых зарубежных конструкциях компак­тное состояние слоя ионита поддерживается со­зданием вакуума в среднем дренаже.

Взрыхляется только верхний загрязненный слой ионита водой, подаваемой через средний дренаж. Взрыхлять верхний слой, не нарушая основной слой ионита, удается в течение 15-20 фильтроциклов.

Однако такой технологии присущи следующие недостатки:

требуются большие объемы воды для удержа­ния регенерируемого зажатого слоя ионита в вос­ходящем потоке раствора реагента;

нерационально используется полезный объем фильтра: необходимо свободное пространства над средним дренажно-распределительным устройс­твом для заполнения ионитом во время взрыхле­ния слоя над этим устройством;

может повредиться среднее устройство, ис­пытывающее давление с двух сторон - регенери­рующего и блокирующего ионов;

             -после нескольких циклов работы (обычно 10-15) нижний слой ионита становится настолько плотным, что дополнительно требуется взрыхляю­щая промывка слоя ионита, кроме слоя над сред­ним дренажом. Нижний («полирующий») слой при взрыхлении разрушается, и после этого необходи­ма усиленная регенерация ионита.

Технология Амберпак (с англ.: Amberpack – янтарный слой) фирмы Rohm & Haas («Ром и Хаас») предусматривает загрузку всего объема фильтра ионитом, без инертного материала. Как и в описанных выше технологиях, обрабатываемая вода движется снизу вверх, регенерирующий раствор – сверху вниз. Взрыхляющая промывка в таком фильтре невозможна – иониту некуда расширяться. Поэтому предусмотрена периодическая выгрузка нижнего (фронтального по отношению к исходной воде) слоя ионита в специальную емкость для отмывки от взвешенных примесей. Технология очень чувствительна к содержанию в воде взвешенных веществ.

 

Рисунок 5.3 -  Конструкция технологии Амберпак

 

 Рисунок 5.4 -  Схема эксплуатации установок Амберпак

   Рисунок 5.5 -  Многокамерные фильтры типа Амберпак.

           5.9 Технология АПКОРЕ

Технология АПКОРЕ (с англ.: UP.CO.RE. - Inflow COurtercurrent REgeneration - противоточная ре­генерация восходящим потоком) фирмы Dow Chemical Co. («Дау Кемикал Компани») по гол­ландскому патенту рисунок 5.6.

          В фильтре, работающем по этой технологии, обрабатываемая вода движется сверху вниз, регенерационный раствор - снизу вверх.

          Технология обладает всеми преимуществами противоточных технологий и в то же время лишена недостатков, описанных выше.

          Так как во время рабочего цикла вода движет­ся сверху вниз (30-40 м/ч), слой ионита остается зажатым при любых колебаниях нагрузки, даже при полном прекращении подачи воды. Таким об­разом, хорошо отрегенерированный слой ионита в нижней части фильтра не разрушается.

Перед подачей в фильтр регенерационного раствора слой ионита в течение 3-5 мин большим потоком воды со скоростью около 30 м/ч подни­мается вверх - до соприкосновения с инертным материалом. Наличие такого материала - одна из принципиальных особенностей технологии. Верх­нее дренажно-распределительное устройство при­крыто и как бы погружено в слой плавающего слоя инертного материала. Через этот слой свободно проходят вода, взвешенные примеси, ионитная «мелочь», а целые гранулы ионита, которые в от­сутствие «инерта» поток мог бы унести из филь­тра, задерживаются.

Регенерационный раствор двух разных концент­раций пропускается снизу вверх в течение 30-40 мин с такой скоростью (примерно10 м/ч), что поднятый в предыдущей операции слой ионита остается при­жатым к слою инертного материала.

Две эти операции, помимо своих прямых функ­ций, отменяют необходимость взрыхляющей про­мывки.

Cледующие этапы регенерации: отмывка ионита снизу вверх от остатков регенерационного раствора со скоростью примерно 10 м/ч в те­чение 30 мин; оседание слоя ионита в течение 5-10 мин; отмывка ионита сверху вниз со скоро­стью 20-30 м/ч в течение 30-40 мин.

 

         

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.6 -  Схема фильтра технологии Апкоре

5.10 Особенности цикла регенерации АПКОРЕ

Весьма важная особенность технологии АПКОРЕ – возможность осуществления послойной загрузки анионитов в одном фильтре без каких-либо разделяющих устройств. За счет специального подбора слабоосновного и сильноосновного анионитов с соответствующими значениями плотностей слой слабоосновного анионита всегда сохраняет свое положение над слоем сильноосновного анионита, защищая последний от отравления органическими веществами.

           Послойная загрузка

           Простота технологии, универсальность конструкции позволяют использовать стандартные параллельноточные фильтры для противоточного фильтрования, заменяя только внутренние дренажно-распределительные устройства. Специально для технологии АПКОРЕ фирма Dow Chemical Co. («Дау Кемикал Компани») разработала и поставляет на рынок серию ионообменных смол с гранулометрическими (монодисперсные), физико-механическими и кинетическими свойствами. В частности, не менее 90 % гранул ионита имеют размеры не более ±10% средних значений размеров, что особенно значимо при двухслойной загрузке фильтров.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.7 - Очистка воды по технологии АПКОРЕ:

- слой инертного материала;

- верхняя дренажно-распределительная система;

- свободное пространство;

- ионит (один или два слоя);

- нижняя дренажно-распределительная система. Рабочий цикл: ввод обрабатываемой воды сверху

фильтра

Регенерационный цикл:

          этап 1 - ввод обессоленной (умягченной) воды в фильтр снизу вверх;

          этап 2 - ввод регенерационного раствора реагентов в фильтр снизу вверх;

          этап 3 - ввод обессоленной (умягченной) воды в фильтр для предварительной отмывки ионита снизу вверх;

          этап 4 - оседание ионита;

          этап 5 - ввод осветленной или умягченной воды в фильтр для окончательной отмывки ионита сверху вниз фильтрования, заменяя только внутренние дре-нажно-распределительные устройства.

Специально для технологии АПКОРЕ фирма Dow Chemical Co. («Дау Кемикал Компани») раз­работала и поставляет на рынок серию ионооб­менных смол с прекрасными гранулометрически­ми (монодисперсными), физико-механическими и кинетическими свойствами. В частности, не ме­нее 90% гранул ионита имеют размеры не более ±10% средних значений размеров, что особенно значимо при двухслойной загрузке фильтров.

Тенденция замены гетеродисперсных ионитов монодисперсными сегодня преобладает. Ведущие мировые фирмы («Байер», «Пьюролайт», «Ром и Хаас», «Дау Кемикал Компани»), производящие иониты, расширяют выпуск монодисперсных ионитов. [1]

           5.11Сравнительная характеристика противоточной и параллельноточной технологий

В конечном счете, описанные свойства противоточных технологий и некоторые другие, здесь не упомянутые, обеспечивают следующие показатели по сравнению с параллельноточной технологией:

          -уменьшение в 1,5-2,5 раза количества экс­плуатируемых фильтров (скорость фильтрования воды - до 40-50 м/ч);

          -уменьшение расхода реагентов примерно в два и более раз (удельный расход кислоты - 1,3-1,6 моль/моль, щелочи - 1,4-1,5 моль/моль, натрий хлорида - 1,2-1,3 моль/моль);

          -увеличение почти в два раза рабочей обмен­ной емкости фильтра за счет свойств ионитов и возможности почти полностью заполнять фильтр ионитом;

           -уменьшение расхода воды на собственные нужды примерно вдвое и, следовательно, умень­шение в два раза количества сточных вод;

           -нормативное качество обработанной воды, получаемое при одноступенчатом фильтровании, не хуже (подчас и лучше), чем при двухступенча­том фильтровании.

Достоинства всех описанных выше противоточных технологий проявляются в полной мере только при использовании гранулометрически однород­ных (моносферных) ионитов, изготавливаемых всеми ведущими фирмами («Дау Кемикал», «Пью-ролайт», «Ром и Хаас», «Байер» и др.

Фильтрование исходной воды осуществляется в направлении сверху вниз, а регенерационного раствора и отмывочной воды - снизу вверх. Инер­тный материал загружается сверху слоя ионита в количестве 10% полезной вместимости фильтра.

Так как взвешенные примеси в слое гетеросферного ионита задерживаются не только вер­хним слоем, но и проникают вглубь ионитной за­грузки, то приходится периодически перегружать ионит в специальную емкость для взрыхляющей его промывки - удаления взвешенных веществ и измельченных частиц ионита. В зависимости от загрязнения ионита (возрастания гидравлическо­го сопротивления слоя) гидроперегрузке подлежит 20-80% объема ионита.

Диаметры фильтра и емкости подобраны таким образом, чтобы в емкости промывка была более интенсивной, чем в фильтре. При промывке поток воды последовательно проходит фильтр с интен­сивностью 1,25-2,50 л/(м2-с), затем емкость с ин­тенсивностью 2,5-5,0 л/(м2-с).

          После возвращения в фильтр отмытого ионита его нужно подвергнуть двукратной регенерации.

В конструкциях ионообменных бытовых филь­тров противоточная технология обычно не исполь­зуется. Поэтому описанные выше проблемы противоточной технологии для таких фильтров значения не имеют, поскольку:

          -диаметры фильтров столь малы, что эффект неравномерного распределения потока воды по горизонтальному сечению не ощущается;

          -иониты в бытовых фильтрах не всегда регенирируют, а иногда используют до исчерпания их обменной емкости;

          -почти всегда исходная вода ионообменных фильтров - с малым содержанием взвешенных и органических примесей. [1]

 6. Баромембранные  методы водоподготовки

           6.1 Состав группы методов

Деминерализация воды ионным обменом и термическая деминерализация (дистилляция) позволяют опреснять воду, почти полностью обес­соливать ее. Однако применение этих методов выявило наличие недостатков: необходимость ре­генерации, громоздкое и дорогое оборудование, дорогие иониты и др. В связи с этим быстрое рас­пространение получили баромембранные методы обработки воды.

Группа баромембранных методов включает в себя обратный осмос, микрофильтрацию, ультра­фильтрацию и нанофильтрацию.

Обратный осмос (размеры пор 1-15 А, рабо­чее давление 0,5-8,0 МПа) применяется для деми­нерализации воды, задерживает практически все ионы на 92-99%, а при двухступенчатой системе и до 99,9%.

Нанофильтрация (размеры пор 10-70 А, ра­бочее давление 0,5-8,0 МПа) используется для отделения красителей, пестицидов, гербицидов, сахарозы, некоторых растворенных солей, органи­ческих веществ, вирусов и др.

Ультрафильтрация (размеры пор 30-1000 А, рабочее давление 0,2-1,0 МПа) применяется для отделения некоторых коллоидов (кремния, напри­мер), вирусов (в том числе полиомиелита), уголь­ной сажи, разделения на фракции молока и др.

Микрофильтрация (размеры пор 500-20000 А, рабочее давление от 0,01 до 0,2 МПа) использует­ся для отделения некоторых вирусов и бактерий, тонкодисперсных пигментов, пыли активных углей, асбеста, красителей, разделения водо-масляных эмульсий и т.п.

          Чем более крупные поры образованы в мембра­не, тем более понятен процесс фильтрации через мембрану, тем более он по физическому смыслу приближается к так называемому механическому фильтрованию.

          Промежуточную группу образуют так называ­емые трековые мембраны, получаемые посредс­твом облучения на циклотроне лавсановых (поли-этилентерефталантных) пленок потоком тяжелых ионов. После воздействия на пленку ультрафио­летовыми лучами и травлением щелочью в пленке образуются поры диаметром 0,2-0,4 мкм (в основ­ном 0,3 мкм).

          6.2 Обратный осмос

Метод обратного осмоса возник в 1953 г., когда Рейдом и Бретоном (CL!^) были открыты полупроницаемые свойства ацетилцеллюлозных мембран. Технология производства полупро­ницаемых мембран была усовершенствована Маникяном (CIА), разработавшим способ про­мышленного изготовления мембран из раство­ра ацетилцеллюлозы в ацетоне и формамиде. В дальнейшем были изготовлены мембраны, ко­торые можно длительное время хранить в сухом виде, а также мембраны в виде полых волокон и составные (композитные) мембраны. Качество мембран постепенно совершенствуется, ассор­тимент расширяется.

          Обратный осмос - один из наиболее перспек­тивных методов обработки воды, преимущества которого заключены в малых энергозатратах, про­стоте конструкций аппаратов и установок, малых их габаритах и простоте эксплуатации; применяется для обессоливания вод с солесодержанием до 40 г/л, причем границы его использования посто­янно расширяются. [1]

  

          Рисунок 6.1-Фильтрующая способность мембранных аппаратов. По материалам компании «Осмоникс»

          6.3 Сущность метода

Если растворитель и раствор разделить полу­проницаемой перегородкой, пропускающей только молекулы растворителя, то растворитель начнет переходить через перегородку в раствор до тех пор, пока концентрации растворов по обе стороны мембраны не выравниваются. Процесс самопро­извольного перетекания веществ через полупро­ницаемую мембрану, разделяющую два раствора различной концентрации (частный случай - чис­тый растворитель и раствор), называется осмосом (от греч.: osmos - толчок, давление).

Если над раствором создать противодавление, скорость перехода растворителя через мембрану уменьшится. При установлении равновесия отве­чающее ему давление может служить количест­венной характеристикой явления обратного осмо­са. Оно называется осмотическим давлением и равно тому давлению, которое нужно приложить к раствору, чтобы привести его в равновесие с чис­тым растворителем, отделенным от него полупро­ницаемой перегородкой.

Применительно к системам водоподготовки, где растворителем является вода, процесс обратного осмоса можно представить следующим образом: если со стороны протекающей через аппарат при­родной воды с некоторым содержанием примесей приложить давление, превышающее осмотичес­кое, то вода будет просачиваться через мембрану и скапливаться по другую ее сторону, а примеси - ос­таваться с исходной водой, их концентрация будет увеличиваться.

          Некоторые гипотезы, предложенные для объяс­нения процесса обратного осмоса.

          Ситовая гипотеза.

Размеры молекул воды меньше молекул и ионов всех веществ, находящихся в воде, - растворенных, коллоидов, неионогенных. Диаметр пор мембраны должен быть меньше суммы удвоенной толщины пограничного слоя на мембране и диаметра задер­живаемого иона. В противном случае гидратированный ион может пройти через пору,

 

Рисунок 6.2 -  Осмос. Система пытается прийти в равновесие путем переноса растворителя в раствор и разбавлением раствора.

           Рисунок 6.3 - Равновесие

 

Рисунок 6.4 -  Обратный осмос

Давление приложенное со стороны раствора и превышающее осмотическое, вызывает перенос растворителя в обратном направлении, и раствор концентрируется при этом гидратная оболочка иона и пограничный слой воды будут частично обмениваться молекулами Н2О. Здесь проявятся еще и необычные свойства тонких слоев (капилляров), в которых вода изменяет и плотность, и другие физические свойства.

  При рассмотрении сущности обратного осмоса, вероятно, нет смысла говорить о порах как ана­логах неких туннелей в мембране. скорее всего, ионы и молекулы воды проходят через пустоты в молекулярной структуре материала мембраны. [1]

            6.4 Энергетическая гипотеза

«Протискивание» молекул примесей через мембраны обусловлено энергией гидратации час­тиц примесей. Процесс этот тем легче, чем мень­ше энергия гидратации.

           Способности мембран задерживать ионы рас­творенных веществ совпадает с рядом увеличения их энергии гидратации:

H+ < NO3- < J- < Br- < Cl-< K+ < F- < Na+ < SO42- < Ba2+ < Ca2+ < Mg2+ < Cd2+ < Zn2+ < Al3+ < Fe3+.

Лучше всех задерживаются (труднее проходят или вовсе не проходят через поры) многовалент­ные ионы. Могут пройти, кроме молекул Н2О, гид-ратированные ионы Cl-, F-, Na+, K+, чьи размеры сопоставимы с размерами молекул Н2О. Радиус молекулы Н2О - 1,36 А.

6.5 Капиллярно-фильтрационная (сорбционная) гипотеза

Предполагается, что слой воды перед мемб­раной, имеющий толщину нескольких десятков молекул, и вода внутри пор имеют пониженную растворяющую способность по сравнению с исход­ной водой, и поэтому ионы примесей не проходят через поры, так как растворитель (капиллярная и пленчатая вода) их плохо растворяет.

Каждая из гипотез сводится к действию опре­деленного фактора, считающегося в данной гипотезе основным. Конечно, нужно рассматривать весь комплекс факторов, зависящий от условий процесса.

         Есть и другие предположения с разной степе­нью обоснованности.

         На практике мембраны обычно не обладают идеальной полупроницаемостью и наблюдается некоторый переход через мембрану растворенно­го вещества. В этом случае движущая сила AP оп­ределяется выражением:

AP = P - (Tt1 - Tt2) = P - An,                           (6-1) 

где P - избыточное (рабочее) давление над ис­ходным раствором; Tt1 - осмотическое давление раствора; Tt2 - осмотическое давление фильтрата, прошедшего через мембрану.

Осмотические давления растворов могут дости­гать десятков МПа. Рабочее давление в обратноосмотических установках должно быть значительно больше, поскольку их производительность опре­деляется движущей силой процесса - разностью между рабочим и осмотическим давлением. Так, при осмотическом давлении 2,45 МПа для морской воды, содержащей 3,5% солей, рабочее давление в опреснительных установках рекомендуется под­держивать на уровне 6,85-7,85 МПа. [1]

           6.6  Ультрафильтрация

Ультрафильтрация - процесс мембранного раз­деления, а также фракционирования и концентри­рования растворов. Он протекает под действием разности давлений (до и после мембраны) раство­ров высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений.

Ультрафильтрация заимствовала у обратного осмоса способы получения мембран, а также во многом подобна ему и по аппаратному исполне­нию. Отличие заключается в гораздо более высо­ких требованиях к отводу от мембранной повер­хности концентрированного раствора вещества, способного формировать в случае ультрафильтра­ции гелеобразные слои и малорастворимые осад­ки. Ультрафильтрация по схеме ведения процес­са и параметрам - промежуточное звено между фильтрованием и обратным осмосом.

Технологические возможности ультрафильтра­ции во многих случаях гораздо шире, чем у обрат­ного осмоса. Так, при обратном осмосе, как пра­вило, происходит общее задержание почти всех частиц. Однако на практике часто возникает зада­ча селективного разделения компонентов раство­ра, то есть фракционирования. Решение этой за­дачи является очень важным, поскольку возможны отделение и концентрирование весьма ценных или редких веществ (белки, физиологически активные вещества, полисахариды, комплексы редких ме­таллов и т.д.).

Ультрафильтрацию, в отличие от обратного ос­моса используют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы раствори­теля. Например, для водных растворов принима­ют, что ультрафильтрация применима тогда, когда хотя бы один из компонентов системы имеет моле­кулярную массу от 500 и больше.

Движущей силой ультрафильтрации являет­ся разность давлений по обе стороны мембраны. Обычно ультрафильтрацию проводят при сравни­тельно невысоких давлениях: 0,3-1 МПа.

          В случае ультрафильтрации значительно повы­шается роль внешних факторов. Так, в зависимос­ти от условий (давление, температура, интенсив­ность турбулизации, состав растворителя и т.д.), на одной и той же мембране можно добиться пол­ного разделения веществ, невозможного при дру­гом сочетании параметров.

К ограничениям ультрафильтрации относят­ся: узкий технологический диапазон - необходи­мость точного поддержания условий процесса; сравнительно невысокий предел концентрирова­ния, который для гидрофильных веществ обыч­но не превышает 20-35%, а для гидрофобных -50-60%; небольшой (1-3 года) срок службы мем­бран вследствие осадкообразования в порах и на их поверхности. Это приводит к загрязнению, отравлению и нарушению структуры мембран или ухудшению их механических свойств. [1]

         6.7 Мембраны

Определяющими при реализации мембранных методов являются разработка и изготовление по­лупроницаемых мембран, отвечающих следую­щим основным требованиям:

          -высокая разделяющая способность (селек­тивность);

          -высокая удельная производительность (про­ницаемость);

          -химическая стойкость к действию компонен­тов разделяемой системы;

          -неизменность характеристик в процессе экс­плуатации;

          -достаточная механическая прочность, отве­чающая условиям монтажа, транспортирования и хранения мембран;

          -низкая стоимость.

В настоящее время на рынке есть мембраны двух основных типов, изготовляемые из ацетил-целлюлозы (смесь моно-, ди- и триацетата) и аро­матических полиамидов.

Для ацетилцеллюлозных мембран характерна высокая удельная производительность. По форме мембраны подразделяются на трубчатые, листо­вые (спирально свернутые) и выполненные в виде полых волокон.

         Полиамидные мембраны имеют более низкую удельную производительность. Их выпускают в виде рулонных элементов, что позволяет обеспе­чить максимальную площадь поверхности на еди­ницу объема, которая примерно в 15 раз больше, чем у элементов в плоских конструкциях.

Важно отметить: полиамидные мембраны очень устойчивы к воздействию химических и биологи­ческих факторов, что обеспечивает большую дол­говечность их по сравнению с ацетилцеллюлозными мембранами, гидролиз которых неизбежен, хотя и может быть сведен к минимуму, если строго контролировать значение рН и температуру.

Есть также мембраны, предназначенные спе­циально для обработки морской воды. Изготовлен­ные из тех же полимеров, они имеют более плотную структуру,  позволяющую им обессоливать в одну стадию растворы,  подобные морской воде и содер­жащие несколько десятков граммов солей в 1 л. C 1975 г. применение  полиамидных мембран послужи­ло толчком для создания ряда промышленных уста­новок для получения деминерализованной воды.

Временные обратноосмотические мембра­ны - композитные - состоят из нескольких слоев. Общая толщина - 10-150 мкм, причем толщина слоя, определяющего селективность мембраны, не более 1 мкм.

          C практической точки зрения наибольший ин­терес представляют два показателя процесса: ко­эффициент задержания растворенного вещества (селективность), определяемый как 

R = 1 - с"/с' или R = (1 - с"/с') • 100%,                         (6-2) 

и производительность (объемный поток) через мембрану 

Jv = ∆q/St,                                                     (6-3) 

с' и с" - концентрация растворенного вещест­ва в исходном растворе и в фильтрате; q - объем фильтрата, прошедшего через мембрану площа­дью S за время t).

Оба этих показателя неоднозначно характери­зуют полупроницаемые свойства мембраны, так как в значительной степени зависят от условий процесса (давление, гидродинамическая обста­новка, температура и т.д.). [1]      

           6.8 Мембранные аппараты и установки

           К аппаратам для осуществления баромембранных процессов в промышленных масштабах предъ­являются требования, определяемые возможнос­тью их изготовления и условиями эксплуатации.

Аппараты для осуществления баромембранных процессов должны иметь большую поверхность мембран в единице объема аппарата и быть про­стыми в сборке и монтаже ввиду необходимости периодической смены мембран. При движении по секциям и элементам аппарата жидкость должна равномерно распределяться над мембранной по­верхностью и иметь достаточно высокую скорость

 

 

Рисунок 6.5- Конструкция мембранного элемента 

течения для уменьшения влияния концентрацион­ной поляризации. Перепад давления в аппарате должен быть, по возможности, небольшим. Необ­ходимо выполнение всех требований, связанных с работой аппаратов при повышенных давлениях: обеспечение механической прочности, герметич­ности и т.д.

Создать аппарат, в полной мере удовлетворяю­щий всем требованиям, по-видимому, невозможно. Поэтому для каждого конкретного процесса разде­ления следует подбирать конструкцию, обеспечи­вающую наиболее выгодные условия проведения именно этого процесса. Четыре основных типа ап­паратов по способу укладки мембран:

          -«фильтр-пресс» с плоскокамерными фильтрую­щими элементами;

          -с трубчатыми фильтрующими элементами;

          -с рулонными или спиральными фильтрующими элементами;

          -с мембранами в виде полых волокон.

Плоскокамерные: мембранный элемент состо­ит из двух плоских мембран с расстоянием между ними 1,5-5,0 мм. В этом промежутке расположен по­ристый или сетчатый дренажный материал. Плотность упаковки мембран (поверхность, приходящаяся на еди­ницу объема аппарата) невысока и равна 60-300 м23. Поэтому аппараты такого типа имеют малую произ­водительность. Они применяются там, где потреб­ность в деминерализованной воде невелика.

Трубчатые аппараты состоят из пористых тру­бок диаметром 5-20 мм. Материал, который служит мембраной, наносится на поверхность трубки (внут­реннюю или наружную). Плотность упаковки у тако­го типа аппаратов также небольшая: 60-200 м23.

Рулонные: мембранный элемент имеет вид пакета, три кромки которого герметизированы, а четвертая крепится к перфорированной трубке для отвода очищенной воды - пермеата (фильтрата). По окружности трубки таких пакетов несколько, все они вместе с сетками накручиваются на труб­ку. Разделяемая вода движется в продольном на­правлении по межмембранным каналам, а пермеат поступает в отводящую трубку. Хотя плотность упаковки таких аппаратов высока (300-800 м23), из-за сложности изготовления они применяются в основном на среднем и большом производстве.

          Волоконные: мембранный элемент имеет вид полого волокна. Аппарат представляет собою ци­линдр, заполненный пучком пористых полых воло­кон с наружным диаметром 80-100 мкм и толщи­ной стенки 15-30 мкм. Разделяемая вода омывает наружную поверхность волокна, а по его внутрен­нему каналу выводится пермеат. Обладая очень большой плотностью упаковки - до 20000 м23, эти аппараты широко используются в опреснительных установках, например, при получении питьевой воды из морской воды и рассолов.

Следует отметить, что установки состоят из большого числа унифицированных фильтрующих элементов или модулей, которые соединяют в ба­тареи по определенной схеме. По этой причине их можно легко наращивать до требуемой (любой) производительности.

В простейшем варианте модули собирают по па­раллельной схеме. В этом случае все они работают в одинаковых условиях: при одном и том же давлении и коэффициенте выхода фильтрата. Такая система пригодна для большинства установок низкой произ­водительности. Два манометра, расположенные на входе и на выходе установки, обеспечивают возмож­ность непрерывного измерения и регулирования пе­репада давления в системе. Два расходомера, изме­ряющие, соответственно, расходы обрабатываемой воды и концентрата, показывают коэффициент вы­хода фильтрата, регулируемого двумя клапанами.

Часто применяют и другие схемы установок. Например, чтобы увеличить коэффициент выхода фильтрата, может быть использовано последова­тельное соединение модулей. Раствор концентрата из первой ступени служит исходной водой для вто­рой ступени. Промежуточного насоса не требуется, поскольку давление на выходе из первой ступени незначительно отличается от давления на впуске во вторую ступень (потери напора - 0,2-0,3 МПа). Системы такого типа обычно называют «ступенча­тым концентратором». Они способны обеспечивать коэффициент выхода фильтрата 70-90% (для двух-или трехступенчатых установок) без заметного уве­личения коэффициента поляризации.

Пример для рулонных установок. Каждый стандар­тный рулонный мембранный элемент дает примерно 15% пермеата. Увеличение полезной производитель­ности аппарата и системы в целом достигается ком­поновкой элементов в модули, содержащие от 1 до 9 расположенных последовательно друг за другом эле­ментов. Из каждого элемента пермеат поступает в сборную трубку, а концентрат направляется в следую­щий элемент, то есть по пермеату модули установлены параллельно, а по концентрату - последовательно.

         В других случаях, например, для производства ультрачистой воды, может быть использована двух­ступенчатая обработка. Очищенная вода с первой ступени подается насосом на вторую ступень, где повторно обессоливается, чем достигается более глубокая степень деминерализации.

         Экономичность сооружений оптимизируется также за счет включения аппаратов последова­тельно, за счет рециркуляции и пермеата, и кон­центрата - смешивания того или иного потока с исходной водой.  [1] 

6.9 Концентрационная поляризация

При обессоливании раствора из-за переноса растворителя-воды через мембрану у ее поверх­ности увеличивается концентрация растворенных веществ по сравнению с их содержанием в объеме исходного раствора. Такое явление называется концентрационной поляризацией.

Из-за повышения концентрации растворенных веществ у поверхности мембраны снижаются ее селективность и удельная производительность. Поскольку отношение концентраций растворен­ных веществ у поверхности мембраны и в объеме разделяемого раствора экспоненциально возрас­тает с увеличением удельной производительности, концентрационная поляризация может стать фак­тором, лимитирующим проницаемость мембран. При повышенной концентрации веществ у разде­ляющей поверхности мембраны последняя может частично разрушаться или модифицироваться. И усилия, направленные на создание новых высо­копроизводительных мембран, могут оказаться напрасными, если одновременно не предприни­мать мер, снижающих негативное воздействие концентрационной поляризации. Для этого, как правило, применяют способы, связанные с интен­сификацией массопередачи от поверхности мемб­ран в объем потока исходного раствора, что имеет целью выравнивание концентрации у поверхности мембраны и в объеме раствора. Такие меры обыч­но сводятся к следующему:

          -повышению температуры раствора;

          -перемешиванию;

          -с подведением механической энергии: пе­ремешивание мешалками, вибрация мембраны, пульсация разделяемого раствора;

          -без механической энергии: увеличение ско­рости, обращение потока, усиление естественной конвекции;

          -изменению конфигурации каналов: корот­кие каналы, узкие каналы, турбулизирующие вставки.

Упомянутые способы уменьшения концентраци­онной поляризации сопряжены со значительными усложнениями аппаратурного оформления про­цесса или его организации. [1]  

          6.10 Причины изменения характеристик мембран в процессе их эксплуатации.

          Физико-механическое воздействие на мем­браны

          Влияние давления. При фильтровании под давлением происходит как изменение структуры мембраны вследствие ее деформации, так и заку­порка отдельных пор мембраны молекулами воды. Совокупность всех процессов, связанных с дефор­мацией мембран (изменение структуры мембраны, текучесть полимерной матрицы, уменьшение тол­щины мембраны и т.д.) под действием давления, получила название крипа мембран. В силу того, что при крипе растет гидравлическое сопротивле­ние, этот процесс в определенной мере сопровож­дается уменьшением селективности мембран.

Рисунок 6.6 - Установка обратного осмоса с двумя ступенями обессоливания:

1-мембренные элементы 1-й степени, 2-2-й ступени. 

Однако наиболее сильно крип проявляется в падении производительности. Влияние температуры. Для ацетатцеллюлозных мембран с повышением температуры вначале проницаемость увеличивается обратно пропорци­онально вязкости жидкости. Затем проницаемость уменьшается и при температуре примерно 85°С падает до нуля. Этот эффект можно объяснить только усадкой и полным стягиванием пор мемб­раны в процессе структурирования полимера, ко­торый заканчивается при указанной температуре, что подтверждается, в частности, необратимым изменением свойств этих мембран после работы при температуре выше 50°С. Селективность ацетатцеллюлозных мембран при повышении темпе­ратуры сначала возрастает, затем остается при­мерно постоянной. [1]         

           6.11 Химическая и биологическая деструкция мембран

При деминерализации природных вод обратно-осмотические аппараты обычно не применяют при минерализации обрабатываемой воды более 50 г/л (с учетом концентрирования в обратноосмотичес-ких аппаратах), а рН воды остается в пределах от 5,5 (при предварительном ее подкислении) до 8,5. В таких растворах химически стойкими являются практически все выпускаемые промышленностью обратноосмотические мембраны.

Наиболее распространенные в нашей стра­не - мембраны из ацетилцеллюлозы, которые мо­гут устойчиво работать при обессоливании воды со значениями рН = 5-8. В более кислой среде ацетилцеллюлоза подвергается гидролизу, а в щелоч­ной - омылению. Расчетным путем были получе­ны данные, показывающие: если принять за срок службы мембраны период, в течение которого ка­чество фильтрата ухудшается вдвое по сравнению с исходным, то при рН = 4-5 ацетилцеллюлозная мембрана может работать примерно 4 года, при рН = 3 - 2,5 года, а при рН = 1 или рН = 9 - только несколько дней.

Мембраны из ароматического полиамида значи­тельно более стойки в кислых и щелочных средах. Они могут работать длительное время без измене­ния своих свойств в интервале значений рН от 2 до 11. Вместе с тем мембраны из ароматических по­лиамидов подвержены разрушению хлором даже в небольших концентрациях, присутствующих в воде. Это их существенный недостаток по сравнению с ацетилцеллюлозными мембранами, на которые хлор в форме хлораминов не оказывает влияния даже при концентрации до 20 мг/л. Однако свободный хлор концентрацией 10-15 мг/л вызывает разрушение ак­тивного слоя мембран из ацетилцеллюлозы.

Озон тоже изменяет свойства полиамидных, а при рН = 5,8 - и ацетицеллюлозных мембран.

Необходимо также учитывать, что ацетилцеллюлозные мембраны нестойки в среде таких по­лярных органических растворителей, как ацетон, диметилформамид и др.

Мембраны из ароматических полиамидов поз­воляют обессоливать воды при одновременном значительном концентрировании солей.

          Многие полимерные материалы, в том числе и ацетилцеллюлоза, - хорошая питательная среда для микроорганизмов. Это создает предпосылки для развития на поверхности мембран колоний микроорганизмов, случайно занесенных с обра­батываемыми водами в обратноосмотический ап­парат. Микрофлора, микрофауна и продукты их жизнедеятельности могут вызвать изменение в полимере мембраны, а также в структуре ее ак­тивного слоя, что приведет к ухудшению характе­ристик процесса обессоливания. Биохимическое воздействие микроорганизмов на полупроницае­мые мембраны более опасно, чем их химическая деструкция. Оно может привести к разрушению активного слоя до такой степени, что на некото­рых участках обнажится поддерживающий слой мембраны с порами, размер которых соизмерим с размерами бактерий. Последнее обстоятельство особенно опасно при использовании опресненной воды в питьевых целях, так как в этом случае воз­можно попадание патогенных микробов и вирусов из опресняемой воды в фильтрат (пермеат).

В последние годы созданы мембраны, устойчи­вые к действию агрессивных и биологически ак­тивных сред, что осуществляется за счет подбора полимерных материалов. [1]    

          6.12  Загрязнение мембран при их эксплуатации

          При работе мембранных установок происхо­дит постепенное снижение их производитель­ности, обусловленное загрязнением мембран, образовавшимися на поверхности отложениями малорастворимых солей и микрочастиц, особенно при нарушении расчетного режима эксплуатации мембранной установки или системы предочистки. Плотные осадки на поверхности мембран создают барьер, препятствующий подводу обрабатывае­мой воды к полупроницаемой мембране, уменьшая фильтрующую поверхность и приводя к снижению производительности мембран.

При загрязнении поверхности мембран в аппа­рате интенсивно развивается концентрационная поляризация, так как толщина пограничного слоя увеличивается на толщину осадка.

Бактерии также могут восстанавливать суль­фаты, присутствующие в обрабатываемой воде,  до сероводорода, вызывая при подкислении воды переход H2S в фильтрат и ухудшение его органолептических свойств. Продукты метаболизма микроорганизмов также могут, частично проникая через мембрану, вызвать появление неприятного привкуса и запаха фильтрата, что особенно силь­но проявляется при периодической работе обратноосмотических установок. [1]        

           6.13 Природа и химический состав загрязнений

Обрабатываемые воды могут в разных количес­твах содержать взвешенные вещества различной дисперсности, соединения железа, соли кальция, магния, других элементов, фито- и зоопланктон, которые при обессоливании могут образовывать отложения на поверхности полупроницаемых мем­бран, а также загрязнять другие элементы аппара­тов. Все отложения в аппаратах можно разделить на три большие группы, различающиеся как по химическому составу, структуре и размеру частиц осадка, так и по механизму их образования.

К первой группе относятся осадки коллоидных и взвешенных частиц, в образовании которых прини­мают участие микроорганизмы, активно воздейству­ющие на мембрану. Однако основная масса осадков этой группы состоит из частиц органического и не­органического происхождения, находящихся в ис­ходной воде, а также образующихся в процессе ее обработки перед обратным осмосом, при ее взаимо­действии с атмосферой и элементами установки.

Вторую группу образуют труднорастворимые соединения, а третью - отложения высокомолеку­лярных органических веществ.

          В состав загрязнений, образующихся в обратноосмотических аппаратах, могут также входить продукты коррозии металлических трубопроводов, арматуры и других элементов установок (соедине­ния железа, меди, никеля и т.п.).

          Скорость образования и характер загрязнений полупроницаемых мембран во многом определяют­ся гидродинамическими условиями в аппаратах.

          Увеличение концентрации всех ионов около поверхности мембран, по сравнению с их концен­трацией в объеме раствора ускоряет процесс пе­ресыщения растворов малорастворимыми соеди­нениями.

Загрязнение аппарата влияет на равномер­ность распределения раствора в напорной камере и, как следствие, на солезадержание полупрони­цаемых мембран. Неравномерность в движении жидкости по напорному каналу, обусловленная несовершенством конструкции установки или тех­нологическими отклонениями при ее изготовлении также может вызвать интенсивное загрязнение полупроницаемых мембран.

Одним из типов возникновения неравномерности распределения потоков является то, что в очень уз­ком (например, 0,02 мм) канале даже незначитель­ный (порядка 0,01 мм) перекос вызывает значитель­ное перераспределение потока вдоль мембраны. Образуется застойная зона, в которой и создаются благоприятные условия для отложения осадков. В предельном случае перераспределение потока мо­жет быть столь существенным, что солесодержание фильтрата, поступающего из застойных зон, равно солесодержанию обрабатываемой воды.

Другой тип неравномерности распределения потока обессоливаемой воды - различие в расхо­де через параллельно соединенные аппараты или камеры фильтр-прессных аппаратов. Эта нерав­номерность может быть обусловлена дефектами конструкций аппарата или недостатками изготов­ления и регулировки обессоливающей установки.

         Загрязнение напорного канала в некоторых слу­чаях может привести к выходу обратноосмотического аппарата из строя. Так, при загрязнении тур-булизатора-разделителя рулонного фильтрующего элемента перепад давлений с его разных торцов может увеличиваться до тех пор, пока не наступит разрушение элемента из-за относительного сдвига слоев рулона (так называемый «телескопинг»); при этом произойдет резкое значительное увеличение производительности и солесодержания фильтрата.

         Таким образом, загрязнение аппаратов ока­зывает влияние практически на все элементы и процессы, протекающие при обессоливании воды обратным осмосом, вызывая, в конечном счете, снижение полезной производительности аппаратов и ухудшение качества фильтрата. [1]       

          6.14 Способы предотвращения загрязнения мембран

          Организуют процесс таким образом, что ис­ходная вода течет вдоль мембраны и смывает или, скорее, уносит возможные отложения. При этом часть воды проходит через мембрану и образует пермеат (очищенная вода), а другая часть, про­шедшая всю длину межмембранного канала, сбра­сывается в дренаж в виде концентрата.

Наиболее эффективный (но и самый дорогой) способ предотвращения образования осадков солей жесткости - питание установки умягченной водой.

Подкисление питающей воды. Доза кислоты вы­бирается с таким расчетом, чтобы индекс Ланжелье, характеризующий степень насыщенности раствора карбонатом кальция, был отрицательным даже в концентрате установки. Количество введенной кис­лоты не должно уменьшить рН исходной воды ниже предела применения мембран. Для многих процес­сов высокая кислотность обессоленной воды явля­ется препятствием к ее использованию.

          Дозирование ингибиторов, которые замедляют или предотвращают кристаллизацию малораство­римых солей из раствора. В качестве ингибиторов применяют комплексные соединения высокомоле­кулярных органических кислот, например, фосфоновых. Поскольку ингибитор сбрасывается вместе с концентратом, важна его токсичность.

Конструктивные мероприятия - турбулизирующая сетка между мембранами.

          Сетка турбулизирует поток воды непосредствен­но около мембраны. Приблизительной (но достаточ­но корректной) аналогией может служить поведение воды в теплообменниках и трубах. Накипь и вообще отложения при прочих равных условиях тем меньше отлагаются на поверхностях труб трубчатых и плас­тин пластинчатых теплообменников, чем больше скорость движения воды и чем лучше турбулизирующая конструкция аппаратов. В «глухих» областях трубчатых теплообменников отложений всегда боль­ше. Аналогично в точках (узлах) прикрепления сетки к мембране отложения все-таки возможны, так как там турбулизирующий эффект отсутствует. [1]         

          6.15  Восстановление характеристик мембран

Многолетний опыт эксплуатации большого ко­личества опреснительных станций показал: при правильном выборе технологической схемы и режимов подготовки воды перед ее обессоливанием обратноосмотические аппараты сохраняют работоспособность более 5 лет. Следует иметь в виду, что добиться надежной работы установок в течение многих лет можно только при соблюдении всей совокупности требований по эксплуатации.

При неправильно выбранном интервале между операциями по регенерации мембран их эффек­тивность падает, причем изменения характерис­тик мембран могут быть необратимыми. Очистку мембран следует проводить при падении их про­изводительности на 10-15%. Продолжительность межрегенерационного периода зависит от состава исходной воды и технологии ее подготовки перед обратным осмосом. Качество подготовки воды счи­тается хорошим, если стабильность работы обессо­ливающих аппаратов достигается при их периоди­ческой промывке не чаще одного раза в месяц. [1]           

          6.16 Химические методы

          В практике наибольшее распространение для очистки поверхности полупроницаемых мембран и для восстановления их свойств получили химичес­кие методы, заключающиеся в обработке мемб­ран и промывке аппаратов растворами различных реагентов. Эффективность таких методов обус­ловлена правильностью подбора реагента. При выборе вещества для промывки аппарата необхо­димо знать структуру и состав загрязнений, кото­рые следует удалять, а также учитывать стойкость мембран в растворах этого вещества.

           6.17 Физико-химические методы

          К физико-химическим методам следует отнес­ти, в первую очередь, механическое удаление об­разовавшихся осадков с поверхности мембран.

Например, для удаления осадка с поверхности трубчатых мембран можно использовать очистку при помощи продавливания вдоль фильтрующей поверхности полиуретанового шарика диаметром большим, чем диаметр трубчатой мембраны. При использовании этого метода не достигается пол­ного удаления осадка, а улучшение процесса обессоливания носит лишь кратковременный характер. Метод может быть применен на практике только в аппаратах трубчатого типа.

Применяется метод очистки мембран от загряз­нений периодической подачей в аппарат порции воздуха под высоким давлением. При этом проис­ходит интенсивное перемешивание находящейся в аппарате обрабатываемой воды и поступающего туда воздуха. Образующаяся в результате этого водовоздушная смесь очищает поверхность мем­бран от загрязнений, снижая вероятность повреж­дения мембран, в отличие от механических и хими­ческих методов очистки.

Вместо воздуха для очистки мембран от загряз­нений можно использовать диоксид углерода, рас­творенный в воде под большим давлением. При снижении давления в аппарате выделяются пу­зырьки СО2, и газовая смесь вымывает отложения из напорных камер.

Еще один способ - гидравлическая промывка аппаратов: пропуск потока воды вдоль мембраны со скоростью 3-5 м/с, который можно создать спе­циальными промывными устройствами. Вариант гидравлической промывки - создание пульсации давления в аппарате.

Большинство из перечисленных выше физико-механических способов очистки мембран обладает своими достоинствами и недостатками. Примене­ние того или иного метода связано со спецификой технологического процесса и,  в первую очередь,  за­висит от состава обрабатываемой воды.

Ни один из описанных методов регенерации мембран не может быть признан универсальным, пригодным для удаления любого осадка. [1] 

          Таблица 6.1- Химическая очистка мембран.  

6.18 Оценка осветления воды

В настоящее время, несмотря на многолетний опыт эксплуатации значительного количества обратноосмотических обессоливающих установок, вопрос о нормировании отдельных компонентов, содержащихся в обрабатываемой воде, оконча­тельно не решен. По некоторым видам загрязне­ний имеются лишь отдельные экспериментальные данные, обобщенные в рекомендациях фирм - из­готовителей оборудования; по другим компонен­там разработаны методики оценки их допустимого содержания.

Влияние многих ингредиентов еще не изуче­но в той мере, чтобы можно было выработать требования к их предельным концентрациям в воде, поступающей в обратноосмотические ап­параты. Практика применения обратноосмотического обессоливания различных минерализо­ванных вод показала, что широко используемые в водоподготовке показатели качества воды (мутность, прозрачность, содержание взвешен­ных веществ) не позволяют судить об эффек­тивности и производительности мембран при обработке этих вод.

Соленые воды с формально одинаковым зна­чением названных показателей могут в разной степени влиять на уменьшение производитель­ности и селективности обратноосмотических ап­паратов.

Поэтому для оценки необходимости и степени осветления воды перед подачей ее на обратноосмотическую обработку используют ряд специаль­ных показателей.

Самый простой показатель качества воды, так называемое время загрязнения мембран (Membrane Fouling Time), определяется как продол­жительность фильтрования 1 л исследуемой воды под давлением 70 кПа через мембранный фильтр фирмы «Миллипор» с размером пор 0,45 мкм. По­лученная продолжительность фильтрования при­водится к стандартной температуре 25°С с учетом вязкости воды при температуре определения.

Фирма «Курита» (Япония) оценивает качес­тво воды по интенсивности цвета осадка, обра­зовавшегося на мембранном фильтре «Милли-пор» с размером пор 0,45 мкм при фильтровании под давлением 210 кПа 1 л исследуемой воды. Полученная интенсивность цвета осадка срав­нивается с предлагаемой фирмой стандартной шкалой. Этот метод имеет, очевидно, сущест­венный недостаток - не учитываются измене­ния цвета при изменении химического соста­ва загрязнения. Однако он может оказаться очень полезным при эксплуатации конкретной станции обессоливания, когда установлено со­держание взвешенных и коллоидных веществ, которым следует ограничиться при подготовке воды перед обратноосмотической ее обработкой и по указанной методике определена ин­тенсивность окрашивания осадка, соответс­твующая данной концентрации загрязняющих компонентов.

Фирма «Пермутит» (США) оценивает качество осветления воды перед обратным осмосом кри­терием, называемым «фактором закупоривания» (Plugging Factor, PF). Для аппаратов с полыми волокнами фирма ре­комендует PF = 50-60%; трубчатые конструкции допускается эксплуатировать при PF = 45-50%.

Фирма «Дюпон» предложила использовать «ин­декс плотности осадка» (Silt Density Index - SDI). Вода признается пригодной для обессоливания обратным осмосом при SDI = 4-5. Этот же показатель качества воды называется «индексом загрязненности» (Fouling Index). Ста­бильная работа обратноосмотических аппаратов обеспечивается при значении FI = 3. [1]         

          6.19 Условия применения обратного осмоса

Ниже приведены ориентировочные показате­ли, которым должна соответствовать исходная вода, подаваемая на обратноосмотические мем­браны (наличие некоторого диапазона обуслов­ливается требованиями разных производителей мембран):

           -мутность - до (1-5) ЕМФ;

           -окисляемость перманганатная - до 3 мгО/л;

           -водородный  показатель  (рН)  -  (3-10), (иногда 2-11);

           -нефтепродукты - (0,0-0,5) мг/л;

           -сильные окислители (хлор свободный, озон, марганцевокислый калий) - до 0,1 г/л;

           -марганец общий (Mn) - до 0,05 мг/л;

           -железо общее (Fe) - до (0,1-0,3) мг/л (некото­рые фирмы требуют не более 0,05 мг/л);

           -кремниесоединения (Si) - до (0,5-1,0) мг/л;

           -сероводород - 0,0 мг/л; индекс SDI - до (3-5) ед. минерализация общая - до (3,0-20) г/л (иногда до 50 г/л);

           -при значениях минерализации менее 2-3 г/л экономические показатели аппаратов ухудшаются;

           -температура воды - 5-35 (иногда до 45) °С;

           -давление - (0,3-6,0) МПа (в зависимости от ми­нерализации);

           -температура воздуха в помещении - 5-35°С;

           -влажность воздуха в помещении - < 70%;

           -не допускается высыхание мембран и их дли­тельный простой (более трех суток без специ­альной консервации). [1] 

           6.20 Сравнение методов обессоливания (ионный обмен и обратный осмос)

6.21 Обратный осмос Преимущества:

          -очень высокое качество получаемой воды, ко­торое обусловлено весьма «мягкими» с физи­ко-химической точки зрения условиями прове­дения процесса;

          -неограниченная производительность (путем набора стандартных модулей и блоков) и од­новременно небольшие габариты;

          -отноше­ние: производительность/габариты - лучшее по сравнению с другими методами обессоливания - дистилляцией, ионообменом, электро­диализом;

          -относительно низкие эксплуатационные расходы;

          -малый расход ингибиторов отложений и реаген­тов для отмывки отложений на мембранах;        

          -низкая энергоемкость (процесс осуществляет­ся без фазовых переходов, и, следовательно, энергия требуется лишь для создания градиен­та давления и рециркуляции раствора);

          -возможность почти во всех случаях сброса кон­центрата в канализацию (в окружающую среду) без обработки. [1] 

6.22 Недостатки баромембранных методов

необходима тщательная предподготовка воды для обеспечения большой производительности мембран и длительного срока их службы; большой объем сбрасываемого концентрата (с учетом компоновочных решений расход перме-ата может составить 75-80% исходной воды, концентрат - 20-25%) и, следовательно, значи­тельный расход исходной воды; большие капитальные затраты; желательный непрерывный режим работы уста­новок. [1] 

 6.23 Ионообменный метод Преимущества

           -возможность получения воды очень высокого качества (многоступенчатые установки), в том числе для котлов любого давления и промывки печатных плат электронного оборудования;

           -способность работать при резко меняющихся параметрах питающей воды;

           -небольшие капитальные и энергозатраты;

           -небольшой объем воды на собственные нужды, особенно у противоточных фильтров; [1] 

6.24 Недостатки

          -относительно большой расход реагентов, осо­бенно у параллельноточных натрий-катионит-ных фильтров; 

          -эксплуатационные расходы увеличиваются пропорционально солесодержанию исходной воды и при необходимости уменьшать предел обессоливания обработанной воды;

          -в зависимости от качества исходной воды тре­буется предподготовка - иногда весьма слож­ная;

          -необходима обработка сточных вод и сложнос­ти с их сбросом. [1]

      7. Обезжелезивание воды

Вода с высоким содержанием железа обла­дает неприятным вкусом, а использование такой воды в производственных процессах (текстильная промышленность, производство бумаги и т.д.) не­допустимо, так как приводит к появлению ржавых пятен и разводов на готовой продукции. Ионы же­леза и марганца загрязняют ионообменные смолы, поэтому при проведении большинства ионообмен­ных процессов предшествующей стадией обработ­ки воды является их удаление.

В теплоэнергетическом оборудовании (котлы паровые и водогрейные, теплообменники) желе­зо - источник образования железонакипных отло­жений на поверхностях нагрева.

В воде, поступающей на обработку в баромембранные, электродиализные, магнитные аппара­ты, всегда лимитируется содержание железа.

Очистка воды от соединений железа  в ряде случаев довольно сложная задача, которая может быть решена только комплексно. Это обстоятель­ство, в первую очередь связано с многообразием форм существования железа в природных водах. Чтобы определить наиболее действенный и эконо­мичный для конкретной воды метод обезжелезивания, нужно произвести пробное удаление железа.

           В соответствии с требованиями СНиП 2.04.02-84* метод обезжелезивания воды, расчетные пара­метры и дозы реагентов следует принимать на основе результатов технологических изысканий, выполненных непосредственно у источника водо­снабжения. [1] 

          7.1 Химизм процессов в воде с участием железа

В воде поверхностных источников железо на­ходится обычно в форме органо-минеральных коллоидных комплексов, в частности, в виде гу-миновокислого железа и тонкодисперсной взвеси гидроксида железа. В речной воде, загрязненной кислотными стоками, встречается сульфат двух­валентного железа FeSO4. Из-за наличия в реч­ной воде растворенного кислорода двухвалентное железо Fe2+ окисляется в трехвалентное Fe3+. При появлении в воде сероводорода H2S образуется тонкодисперсная взвесь сульфида железа FeS.

          Подземные источники воды в подавляющем большинстве характеризуются наличием рас­творенного бикарбоната двухвалентного же­леза Fe(HCO3)2, который вполне устойчив при отсутствии окислителей и рН>7,5. При большой карбонатной жесткости, рН>10 и содержании Fe2+>10 мг/л бикарбонат может гидролизоваться с образованием углекислоты: 

Fe(HCO3)2 + 2 • H2O = Fe(OH)2 + 2 • H2CO3.                        (7-1) 

          Концентрация железа в подземных грунтовых водах находится в пределах от 0,5 до 50 мг/л. В центральном российском регионе, включая Под­московье, эта величина изменяется в диапазоне 0,3-10 мг/л, наиболее часто - 3-5 мг/л, в зависи­мости от географического местоположения и глуби­ны источника. Начиная с концентрации 1,0-1,5 мг/л, вода имеет неприятный металлический привкус. При значениях более 0,3 мг/л железо оставляет пят­на на белье и санитарно-технических изделиях. При концентрации железа менее 0,3 мг/л запах обычно не ощущается, хотя могут появляться мутность и цветность воды.

         Анаэробная (не имеющая контакта с воздухом) прозрачная грунтовая вода может содержать со­единения двухвалентного железа (Fe2+) до несколь­ких миллиграммов на литр без ее помутнения при прямой подаче из источника. Однако при контакте с воздухом, а точнее, с кислородом воздуха, двух­валентное железо окисляется до трехвалентного коллоидного состояния, придавая воде характер­ный красно-коричневый оттенок:

 4 • Fe(HCO3)2 + O2 + 2 • H2O =

= 4 • Fe(OH)3 + 8 • CO2↑.                                (7-2) 

        Удаление CO2 при аэрировании необходимо, так как при рН < 7,0 процесс окисления Fe2+ в Fe3+ замедляется.

        Количество углекислого газа (СО2) в воде, пос­тупающей на обезжелезивание, мг/л:

С = 1,57 CFe + C                                               (7-3) 

где СFe - содержание железа в исходной воде, мг/л; Сн - начальная концентрация в воде свобод­ного СО, мг/л.

          Приблизительно:

Сн = 0,268 • Ж к3,                                              (7-4)        

 где Жк - карбонатная жесткость воды, ммоль/л.

          Гидроксид трехвалентного железа Fe(OH)3 коа­гулирует и переходит в оксид железа Fe2O3 • 3 H2O, выпадающий в осадок в виде бурых хлопьев.

          Пользователь зачастую наблюдает следующую картину: в первый момент вода, полученная из скважины, кажется абсолютно чистой и прозрач­ной, но с течением времени (от нескольких минут до нескольких часов) она мутнеет (реакция (4.70)), приобретая специфический оттенок. При отстаи­вании воды муть оседает, образуя бурый рыхлый осадок (гидрооксид трехвалентного железа).

Железо способствует также развитию «железо­бактерий», которые получают энергию при окисле­нии Fe2+ до Fe3+, в результате чего в трубопроводах и на оборудовании образуется скопление слизи.

В процессе окисления на 1 мг Fe2+ затрачивает­ся 0,143 мг кислорода (О2), увеличивается содер­жание свободной углекислоты (CO2) на 1,6 мг/л, а щелочность снижается на 0,036 ммоль/л.

Присутствие в воде солей меди, а также контакт воды с ранее выпавшим осадком Fe(OH)3 катали­тически ускоряют процесс окисления Fe2+ до Fe3+.

          В зависимости от условий (значение рН, тем­пература, наличие в воде окислителей или вос­становителей, их концентрация) окисление может предшествовать гидролизу, идти параллельно с ним или окислению может подвергаться продукт гидролиза двухвалентного железа Fe(OH)2.

          Выбор оптимального метода обезжелезивания воды зависит от знания форм железа, присутству­ющих в природных водах, которые нужно обезже-лезивать. [1] 

7.2 Методы обезжелезивания воды

Для обезжелезивания поверхностных вод ис­пользуются только реагентные методы с последу­ющей фильтрацией. Обезжелезивание подземных вод осуществляют фильтрованием в сочетании с одним из способов предварительной обработки воды:

-упрощенная аэрация;

          -аэрация на специальных устройствах;

          -коагуляция и осветление;

          -введение таких реагентов-окислителей, как хлор, гипохлорит натрия или кальция, озон, перманганат калия.

          При мотивированном обосновании применяют катионирование, диализ, флотацию, электрокоагу­ляцию и другие методы.

          Для удаления из воды железа, содержащегося в виде коллоида гидроксида железа Fe(OH)3 или в виде коллоидальных органических соединений, например, гуматов железа, используют коагули­рование сульфатом алюминия или оксихлоридом алюминия, или железным купоросом с добавлени­ем хлора или гипохлорита натрия.

         В качестве наполнителей для фильтров, в ос­новном, используют песок, антрацит, сульфоуголь, керамзит, пиролюзит, а также фильтрующие мате­риалы, обработанные катализатором, ускоряющим процесс окисления двухвалентного железа в трех­валентное. В последнее время всё большее распро­странение получают наполнители с каталитически­ми свойствами: Manganese Green Sand (MGS), Birm, МТМ, МЖФ и др. При наличии в воде коллоидного двухвалент­ного железа требуется проведение пробного обез-железивания. Если отсутствует возможность осу­ществить его на первой стадии проектирования, выбирают один из вышеперечисленных методов на основании проведенного пробного обезжелезивания в лаборатории или опыта работы аналогич­ных установок.

          В процессе аэрации кислород воздуха окисляет двухвалентное железо, при этом из воды удаляет­ся углекислота, что ускоряет процесс окисления и последующий гидролиз с образованием гидроксида железа.

Метод основан на способности воды, содер­жащей двухвалентное железо и растворенный кислород, при фильтровании через зернистый слой выделять железо на поверхности зерен за­грузки, образуя каталитическую пленку из ио­нов и гидроксидов двух- и трехвалентного желе­за. Пленка активно интенсифицирует процесс окисления и выделения соединений железа из воды.

При поступлении в фильтр первых порций очи­щаемой воды в начале процесса обезжелезивания на поверхности наполнителя формируется моно­молекулярный слой соединений железа (физичес­кая адсорбция). Поверхностный слой химически более активен, чем чистый наполнитель, что уско­ряет процесс осаждения железа. Значение истин­ной поверхности пленки соединений железа более 200 м2/г, что определяет ее свойства как сильного адсорбента губчатой структуры. Эта пленка одно­временно служит катализатором окисления двух­валентного железа. Нужно отметить: ряд примесей в очищаемой воде, таких, как сероводород, свобод­ная углекислота, коллоидная кремниевая кислота, аммиак, заметно ухудшают каталитические свойс­тва пленки.

          Описанный метод допустим при следующих ко­личественных показателях воды:

         -общее содержание железа до 10 мг/л (в том чис­ле, двухвалентного железа - не менее 70%);

         -значение рН - не менее 6,8;

         -щелочность общая - более (1 + Fe2+/ 28) ммоль/л;

         -содержание сероводорода - не более 2 мг/л;

­         - перманганатная  окисляемость  -  не  более (0,15 • Fe2+ + 3) мгО/л;

         -содержание аммонийных солей (по NH4-) не бо­лее 1 мг/л;

         -содержание сульфидов (по H2S) - не более 0,2 мг/л.

  Таблица 7.1

 

        Если одно из этих условий не выдерживается, нужна предварительная аэрация воды в аэраторах с добавлением в нее необходимых реагентов (хлор, гипохлорит натрия, перманганат калия и др.).

        При содержании железа в воде в виде сульфа­та FeSO4 аэрация воды не позволяет провести ее обезжелезивание: при гидролизе растворенной соли железа образуется кислота, понижающая рН воды менее 6,8, при этом процесс гидролиза поч­ти прекращается. Для удаления из воды кислоты требуется ее известкование с осаждением плохо растворимого гипса CaSO4: 

FeSO4 + Ca(OH)2 = Fe(OH)2 + CaSO4.                             (7-5) 

         После известкования требуются отстаивание и фильтрование воды. Упрощенную аэрацию можно реализовать пу­тем излива воды в карман или в центральный ка­нал открытых фильтров с высоты 0,5-0,6 м над уровнем воды.

При использовании напорных фильтров воздух вводят непосредственно в подающий трубопро­вод на расстоянии, равном не менее 10 диаметров трубопровода, с нормой расхода 2 л на 1 г железа (Fe2+). Если в исходной воде более 40 мг/л свобод­ной углекислоты и более 0,5 мг/л сероводорода, то воздух в трубопровод не вводят. В этом случае пе­ред напорным фильтром необходимо установить промежуточную емкость со свободным изливом воды и повысительный насос.

Используя характеристики конкретного наполни­теля фильтра, можно выполнить расчет фильтровальной станции. СНиП 2.04.02-84* требуют, чтобы продол­жительность работы фильтров между промывками при нормальном режиме составляла не менее 8-12 ч, а при форсированном режиме или полной авто­матизации промывки фильтра - не менее 6.

          Общую поверхность фильтрования можно оп­ределить по формуле: 

F = Q / (Tст vн- nпр qпр nпр tпр vн)                                              (7-6) 

где Q - полезная производительность филь­тровальной станции, м3/сут; Гст - продолжитель­ность работы станции в течение суток, ч; vH - рас­четная скорость фильтрования при нормальном режиме (м/ч); ппр - чис­ло промывок одного фильтра в сутки при нормальном режиме эксплуатации; дп расход воды на одну промывку одного фильтра, м32 (оп­ределяется по паспортным данным фильтра и экс­плуатационным характеристикам наполнителя); t - время простоя фильтра в связи с промывкой, ч (паспортные данные фильтра и рабочие характе­ристики наполнителя). [1]      

          7.3 Аэрация в специальных устройствах

Когда необходимо удалить из воды железо при концентрации его в воде более 10 мг/л и увеличить значение рН более 6,8, осуществляется аэрация в специальных устройствах.

Для этого используют вентиляторные градирни (дегазаторы) или контактные градирни с естест­венной вентиляцией. Исходная вода подается в верхнюю часть вентиляторной градирни, запол­ненной керамической насадкой (кольца Рашига). Навстречу потоку воды с помощью вентилятора направляют воздух. В процессе аэрации выделяет­ся углекислота (диоксид углерода), вода обогаща­ется кислородом и происходит окисление железа. Затем вода подается в фильтр, где в объеме на­полнителя завершается образование хлопьев гидроксида трехвалентного железа и их задержание. [1]        

          7.4 Метод «сухого» фильтрования

          Метод заключается в фильтровании воздушно-водной эмульсии через «сухую» (незатопленную) зернистую загрузку путем создания в фильтре ва­куума или нагнетания большого количества воз­духа с последующим отсосом из поддонного про­странства. При этом на поверхности фильтрующей загрузки образуется адсорбционно-каталитическая пленка из соединений железа и марганца, если он присутствует в воде), повышая эффек­тивность процессов обезжелезивания и деманга-нации. В качестве загрузки обычно используются песок, керамзит, антрацит, винипласт и др.

Особенность процесса - образование дегидра­тированной пленки на зернах загрузки, состоящей из магнетита, сидерита, гетита и гематита. Указан­ные соединения имеют плотную структуру, а объ­ем их в 4-5 раз меньше, чем у гидроксида железа. Поэтому невысок темп прироста потерь напора в загрузке при такой схеме процесса. [1]          

           7.5 Введение реагентов-окислителей. Обработка воды хлором и его производными

Реагенты-окислители, в первую очередь, хлор, используются с целью обеззараживания, а также удаления железа. Хлорирование почти во всех случаях освобождает воду от содержащегося в ней железа. После обработки разных вод этим ме­тодом содержание железа во всех случаях стано­вится меньше 0,1 мг/л, причем метод эффективен, когда другие приемы не работают. Под действием хлора происходит разрушение гуматов и других органических соединений железа и переход их в форму неорганических солей трехвалентного же­леза, которые легко гидролизуются. В результате гидролиза выпадает осадок или гидроксида желе­за, или продуктов неполного гидролиза - основных солей железа различного состава. Эти процессы можно условно описать следующим уравнением: 

4 Fe(HCO3)2 + 2 Cl2 + 4 H2O  = 4 Fe(OH)3T + 8 CO2T + 4 HCl.              (7-7) 

Как видно из уравнения, вода подкисляется. По стехиометрии (в соответствии с уравнением ре­акции) на окисление 1 мг двухвалентного железа расходуется 0,64 мг хлора, при этом щелочность уменьшается на 0,018 ммоль/л.

Хлор также окисляет двухвалентный марганец, разрушая органические вещества и сероводород.

          Доза хлора, в зависимости от содержания же­леза может составлять 5-20 г на 1 м3 воды при контакте, по крайней мере, в течение 30 мин (не только для окисления железа, но и для надежного обеззараживания).

СНиП 2.04.02-84* определяют расчетную дозу хлора (в пересчете на 100%, мг/л) для целей обезжелезивания следующим выражением: 

Дх = 0,7 • [Fe2+],                                                         (7-8) 

где [Fe2+] - концентрация двухвалентного же­леза, мг/л.

       Обработку воды хлором осуществляют с помо­щью хлораторов, в которых газообразный (испа­ренный) хлор абсорбируют водой. Хлорную воду из хлоратора подают к месту потребления. Хотя этот метод обработки воды и является наиболее рас­пространенным, тем не менее он обладает целым рядом недостатков, в первую очередь, связанных со сложной транспортировкой и хранением боль­ших объемов жидкого высокотоксичного хлора.

        В качестве альтернативного варианта в послед­ние годы все шире используют обработку воды раствором гипохлорита натрия (NaClO), причем этот метод находит применение как на больших станциях водоподготовки, так и на небольших объ­ектах, в том числе и в частных домах.

        Водные растворы гипохлорита натрия получают химическим: 

Cl2 + 2 NaOH = NaClO + NaCl + H2O,                                   (7-9) 

или электрохимическим методом по реакции: 

NaCl + H2O = NaClO + H2.                                 (7-10) 

        Окисление двухвалентного железа происходит в соответствии со следующим уравнением: 

2 Fe(HCO3)2 + NaClO + H2O = = 2 Fe(OH)3T + 4 CO2T + NaCl.    (7-11) 

        При расчете дозы гипохлорита натрия на обезжелезивание нужно обязательно учитывать его расход на деманганацию, удаление сероводорода (если марганец и сероводород присутствуют в об­рабатываемой воде) и - когда это требуется - обез­зараживание.

        Требуемый расход активного хлора (АХ) на об­работку воды (в пересчете на 100%-ный хлор, г/ч) определяется следующим выражением: 

AX = Очас х  + [Fe2+]   ∙КFe ]+ [Mn2+] •   KMn    + [H2S] • Kcb), (7-12) 

где Очас - объемный расход воды (максималь­ный), м3/ч; Дх - доза активного хлора для обезза­раживания воды, мг/л; [Fe2+] - содержание двухва­лентного железа в исходной воде, мг/л; KFe - расход активного хлора для окисления железа (0,64 мг активного хлора на 1 мг двухвалентного железа); [Mn2+] - содержание двухвалентного марганца в ис­ходной воде, мг/л; KMn - расход активного хлора для окисления двухвалентного марганца (1,3 мг актив­ного хлора на 1 мг марганца); [H2S] - содержание сероводорода в исходной воде, мг/л; KCB - расход активного хлора для разрушения сероводорода (2,1 мг активного хлора на 1 мг сероводорода).

Как следует из уравнения (7-11), в процессе окисления железа гипохлоритом натрия не про­исходит подкисления воды, а это очень важно для процесса фильтрации. Кроме того, раствор гипохлорита натрия (как товарный, так и электрохими­ческий) - щелочной. [1]         

          7.6 Обезжелезивание воды катионированием

При фильтровании воды через слой ионита же­лезо - согласно лиотропному ряду - будет задер­живаться и поглощаться ионитом раньше и лучше кальция и магния. И обменная емкость ионита по кальцию и магнию будет быстро уменьшаться. Поэтому удаление из воды железа методом ион­ного обмена (катионирование) допускается, ког­да одновременно с обезжелезиванием требуется умягчение воды. Однако в этом случае возможно только извлечь железо в растворенной двухвален­тной форме При наличии в воде кислорода ион Fe2+ окисляется, образующийся гидрооксид желе­за Fe(OH)3 плохо растворим в воде и, осаждаясь на зернах ионита, «закрывает» его поры. Ресурс работы ионообменного материала будет значи­тельно снижен. Поэтому производители ионитов ограничивают содержание железа (Fe) в исходной воде значениями 0,05-0,3 мг/л. Следовательно, применение этого метода должно быть экономи­чески обосновано.

         Современные эффективные способы удаления органического железа - сорбция на специальных слабоосновных анионитах (органопоглотителях) и ультрафильтрация. [1] 

           8. Обработка воды озоном

Один из перспективных методов окисления же­леза - озонирование.    Озон (О3) - один из самых сильных окислителей. Одновременно с обеззара­живанием идут процессы окисления двухвалент­ных железа и марганца, обесцвечивание воды, а также ее дезодорация и улучшение органолептических свойств.

Стехиометрически можно определить дозу озо­на на окисление двухвалентного железа по следу­ющему выражению: 

ДО = 0,14 • [Fe2+], мг/л.                                           (8-1) 

Где [Fe2+] –концентрация двухвалентного железа в исходной воде, мг/л. [1]           

           8.1 Фильтрование с применением каталитических загрузок

Фильтрование с применением каталитических загрузок – наиболее распространенный метод удаления железа и марганца , применяемый в высокопроизводительных компактных системах. Это обусловлено как коммерческими аспектами, так  и высокой технологичностью процессов

Катали­тические наполнители - природные материалы, содержащие диоксид марганца или загрузки, в ко­торые диоксид марганца введен при соответству­ющей обработке:

дробленый пиролюзит, «черный песок», сульфоуголь и МЖФ (отечественные загрузки); Manganese Green Sand (MGS), Birm, МТМ (зару­бежные наполнители);

Эти фильтрующие «засыпки» отличаются друг от друга как своими физическими характеристи­ками, так и содержанием диоксида марганца и по­этому эффективно работают в разных диапазонах значений характеризующих воду параметров. Од­нако принцип их работы одинаков. Механизм действия основан на способности со­единений марганца сравнительно легко изменять валентное состояние. Двухвалентное железо в ис­ходной воде окисляется высшими оксидами мар­ганца. Последние восстанавливаются до низших ступеней окисления, а далее вновь окисляются до высших оксидов растворенным кислородом и перманганатом калия: 

4 Fe(HCO3)2 + 3 MnO2 + 2 H2O = 4 Fe(OH)3 + Mn2O3 + MnO + 8 CO2↑;      (8-2)

3 MnO + 2 KMnO4 + H2O = 5 MnO2 + 2 KOH;                     (8-3)

3 Mn2O3 + 2 KMnO4 + H2O = 8 MnO2 + 2 KOH.                             (8-4)        

         Впоследствии большая часть окисленного и за­держанного на фильтрующем материале железа вымывается в дренаж при обратной промывке. Та­ким образом, слой гранулированного катализатора служит одновременно и фильтрующей средой. Для улучшения процесса окисления в воду могут добав­ляться дополнительные химические окислители.

        При проведении процесса следует иметь в виду, что для эффективного окисления соединений же­леза (и марганца) необходимо как наличие ката­лизатора, который только ускоряет процесс, так и реагента-окислителя. В роли последнего может выступать растворенный кислород, высшие со­единения марганца, хлор, гипохлорит. С этой точ­ки зрения разделение методов обезжелезивания (на реагентные и безреагентные) носит условный характер. В любом случае в ходе реакции расходу­ется окислитель независимо от того, вводится он извне или входит в состав фильтрующей загрузки. В последнем случае следует определить ресурс загрузки, исходя из состава воды и ее расхода, а также обеспечить своевременную регенерацию или замену фильтрующего материала.

        Все системы на основе каталитического окис­ления с помощью диоксида марганца имеют ряд ограничений:

        -неэффективны в отношении органического железа;

        -при наличии в воде лю­бой из форм органического железа, на по­верхности гранул фильтрующего материала со временем образуется органическая плен­ка, изолирующая катализатор (диоксид мар­ганца) от воды;

        -не могут справиться со случаями, когда содер­жание железа в воде превышает 10-15 мг/л, что совсем не редкость.

          Присутствие в воде марганца еще более ухудшает эффективность обезжелезивания.

Каталитические наполнители («черный пе­сок» и сульфоуголь) позволяют вести процесс фильтрования со скоростью 10 м/ч при высоте слоя наполнителя 1 м. «Черный песок» получают путем обработки кварцевого песка с размером частиц 0,5-1,2 мм 1%-ным раствором перманга-ната калия с его подщелачиванием до рН = 8,5-9 раствором аммиака.

Для обработки сульфоугля используют 10%-ный раствор хлорида марганца (MnCl2). Далее через него фильтруют 1%-ный раствор перманга-ната калия. Марганец вытесняется из структуры наполнителя и осаждается на поверхности угля в виде пленки. [1]

         8.2 Озонирование воды

Озонирование воды всё чаще находит приме­нение при обеззараживании питьевой воды, воды плавательных бассейнов, сточных вод и т.д., поз­воляя одновременно достигнуть обесцвечивания, окисления железа и марганца, устранения привку­са и запаха воды и обеззараживания за счет весь­ма высокой окисляющей способности озона.

Озон (O3) - газ голубоватого или бледно-фио­летового цвета, который самопроизвольно диссо­циирует на воздухе и в водном растворе, превра­щаясь в кислород. Скорость распада озона резко увеличивается в щелочной среде и с ростом тем­пературы. Обладает большой окислительной спо­собностью, разрушает многие органические ве­щества, присутствующие в природных и сточных    водах; плохо растворяется в воде и быстро само­разрушается; будучи мощным окислителем, может при длительном воздействии усилить коррозию трубопроводов.

Доза озона зависит от назначения озонированной воды. Если озон вводят только для обеззараживания в фильтрованную воду (после ее предварительного коагулирования и осветления), то дозу озона прини­мают 1-3 мг/л, для подземной воды - 0,75-1 мг/л, при введении озона для обесцвечивания и обезза­раживания загрязненной воды доза озона может доходить до 5 мг/л. Продолжительность контакта обеззараживаемой воды с озоном - 8-12 мин.

Разложение озона в воде при разных значениях рН и температуры показано на рисунке 9.1 и 9.2. Графики показывают, что время контакта озона с водой снижается с уменьшением значения рН. Увеличить растворимость озона можно за счет по­вышения давления.

Достоинство этого метода обработки воды:

          -в воду обычно не вносятся посторонние химические реагенты, а продукт восстановления озона - кис­лород.

Рис. 9.1 - Разложение озона в воде при различных температрах

Рис. 9.2 - Разложение озона в воде при разных значениях рН

            8.3 Принцип получения озона

Наиболее экономичный промышленный метод получения озона - пропускание воздуха или кислорода через генератор озона (озонатор), где происходит электрический высоковольтный разряд (5000-25000 В). Генератор озона состоит из двух электродов: в виде двух параллельных плас­тин или в виде двух концентрических трубок, распо­ложенных на небольшом расстоянии друг от друга. Производительность аппаратов и удельный расход электроэнергии зависят от влагосодержания подаваемого в озонатор воздуха, температуры, содер­жания кислорода, конструкции озонатора.

         Поэтому воздух перед подачей в генератор озона пропускается через фильтр и осушивает-ся силикагелем или оксидом алюминия (Al2O3). В генераторе под действием тихого электрического разряда получается озон, но не в чистом виде, а в смеси с воздухом. Концентрация озона в этой озоно-воздушной смеси колеблется в пределах значений от 2 до 12 г/м3. Значение концентрации зависит от конструкции озонатора. Так как элек­трический разряд сопровождается выделением теплоты, в аппаратах предусматривается водяное охлаждение электродов. Поскольку озон - весьма токсичный газ (ПДК в воздухе зоны - 0,0001 г/м3), схемы процессов озонирования воды предусмат­ривают его полное использование и рекуперацию. Кроме того, в состав озонаторного оборудования, как правило, входит специальный дегазатор (де­структор) озона. [1]

          8.4 Обеззараживающее действие озона

При повышенном бактериальном загрязнении во­доисточника или при наличии в нем патогенных микроорганизмов, энтеровирусов и цист лямблий, ус­тойчивых к действию традиционного хлорирования, озон особенно эффективен. Механизм действия озо­на на бактерии полностью пока еще не выяснен, од­нако это не мешает его широкому использованию.

Озон гораздо более сильный окислитель, чем хлор (при применяемых дозах того и другого ре­агента).

По быстродействию озон эффективнее хлора: обеззараживание происходит быстрее в 15-20 раз. На споровые формы бактерий озон действует раз­рушающе в 300-600 раз сильнее хлора. Это под­тверждается сравнением их окислительных потен­циалов: у хлора Cl2 - 1,35 В, у озона O3 - 1,95 В.

           Отсутствие в воде химических веществ, быс­тро реагирующих с озоном, позволяет провести эффективное разрушение E.coli при концентрации растворенного озона 0,01-0,04 мг/л.

Для разрушения бактерий полиомиелита (штамм Le и Mv) необходимо подвергать воду воз­действию хлором в течение 1,5-3 ч при дозе окис­лителя 0,5-1 мг/л. В то же время озон разрушает эти бактерии за 2 мин при концентрации его в воде 0,05-0,45 мг/л.

Следует отметить такое важное свойство озона, как противовирусоидное воздействие. Энтеровирусы, в частности, выводящиеся из организма чело­века, поступают в сточные воды и, следовательно, могут попадать в воды поверхностных водоисточни­ков, используемых для питьевого водоснабжения.

Результатом многочисленных исследований ус­тановлено: остаточный озон в количестве 0,4-1,0 мг/л, сохраняемый в течение 4-6 мин, обеспечи­вает уничтожение болезнетворных вирусов, и в большинстве случае такого воздействия вполне достаточно, чтобы снять все микробиальные за­грязнения.

По сравнению с применением хлора, повышаю­щим токсичность очищенной воды, определенной по гидробионтам, применение озона способствует снижению токсичности.

С гигиенической точки зрения, озонирование -один из лучших способов обеззараживания питье­вой воды. При высокой степени обеззараживания оно обеспечивает ее наилучшие органолептические показатели и отсутствие высокотоксичных и канцерогенных продуктов в очищенной воде. Су­щественный недостаток метода - отсутствие дли­тельного пролонгированного действия, в отличие от хлорирования. [1]

          8.5 Обесцвечивание воды

Цветность воды свойственна природным ис­точникам, имеющим примесь болотных вод. В них всегда содержатся  гумусовые  вещества, представленные фульвокислотами и коллоидны­ми частицами гуминовых кислот, которые и при­дают воде желтоватый оттенок разной интенсив­ности.

         Устойчивость гумусовых веществ по отноше­нию к окислителям различна. Растворенные ве­щества (гуматы), находящиеся в природных водах, сравнительно легко поддаются окислению озоном. Между тем уменьшение цветности на 1 градус, вызванной фульвокислотами, требует в 1,5 раза больше озона, чем для гуминовых кислот.

         Эффективность обработки воды озоном зави­сит и от естественного состава гуминовых соеди­нений, стойкость которых по отношению к озону неодинакова. При озонировании относительное уменьшение цветности возрастает с увеличением значения рН. Уменьшение цветности воды на 1 мг/л введенного озона при рН, равном 3, составляет 0,5 градуса, при рН = 7-1,1 градуса и при рН, рав­ном 8, цветность увеличивается до 1,8 градуса.

         Понижение температуры воды в пределах от 40 до 5°С также увеличивает эффект обесцве­чивания озоном. С увеличением степени обесц­вечивания повышается удельная доза озона на 1 градус устраняемой цветности. [1]

8.6 Удаление из воды железа и марганца

Если железо или марганец содержатся в воде в виде органических соединений или коллоидных частиц, то обезжелезивание воды обычными спосо­бами (аэрация, известкование или катионирование) не удается. В таких случаях целесообразно приме­нение озона. Процесс окисления обеспечивает пе­ревод соединений железа и марганца в нераство­римые формы, поэтому необходимо последующее фильтрование воды для освобождения ее от выпа­дающих осадков. При этом требуется одна массо­вая часть озона на одну массовую часть железа или марганца.

          8.7 Устранение привкусов и запахов воды

Неприятные привкус и запах некоторых природ­ных вод вызваны присутствием соединений мине­рального и органического происхождения, находя­щихся в растворенном или коллоидном состоянии.

Окисление этих соединений приводит к их рас­щеплению и сопровождается исчезновением при­вкуса и запаха. Благодаря высокой окислительной способности, озон в состоянии действовать на та­кие соединения, которые не поддаются действию других химических реагентов. К таким соединени­ям относятся: сернистые и цианистые соединения, фенолы и другие вещества, способные вызыватьплохой запах воды.

Обработка воды избыточным количеством озо­на не влечет никаких нежелательных последствий: избыточный озон, будучи нестойким, в течение не­скольких минут превращается в кислород.

Хлор, в отличие от озона, дает с некоторыми ве­ществами сложные соединения, вызывающие по­явление резких запахов. Типичный пример - хлори­рование воды, имеющей примесь фенолов. В этом случае хлорированная вода приобретает весьма неприятные привкус и запах, даже если фенолы присутствуют в ничтожной (1:100 000) пропорции. [1]

          8.8 Особенности озонирования

Метод озонирования технически сложен, требу­ет больших расходов электроэнергии и использо­вания сложной аппаратуры, которой нужно высо­коквалифицированное обслуживание.

Необходимо учитывать некоторые особеннос­ти озонирования. Прежде всего, нужно помнить о быстром разрушении озона, то есть отсутствии та­кого длительного действия, как у хлора.

Озонирование может вызвать (особенно у высо­коцветных вод и вод с большим количеством «ор­ганики») образование дополнительных осадков, по­этому нужно предусматривать после озонирования фильтрование воды через активный уголь. В резуль­тате озонирования образуются побочные продукты включающие: альдегиды, кетоны, органические кислоты, броматы (в присутствии бромидов), пероксиды и другие соединения. При воздействии на гуминовые кислоты, где есть ароматические соеди­нения фенольного типа, может появиться и фенол.

Некоторые вещества стойки к озону. Этот не­достаток преодолевается введением в воду пере­киси водорода по технологии фирмы «Дегремон» (Франция) в трехкамерном реакторе.

           9. Деманганация воды

Марганец присутствует в земной коре в боль­шом количестве и обычно встречается вместе с железом. Содержание растворенного марганца в подземных и поверхностных водах, бедных кисло­родом, достигает нескольких мг/л. Российские са­нитарные нормы ограничивают уровень предельно допустимого содержания марганца в воде хозяйс­твенно-питьевого назначения значением 0,1 мг/л. В некоторых странах Европы требования жестче: не более 0,05 мг/л. Если содержание марганца больше этих значений, ухудшаются органолептические свойства воды. При значениях марганца больше 0,1 мг/л появляются пятна на санитарно-технических изделиях, а также нежелательный привкус воды. На внутренних стенках трубопро­водов образуется осадок, который отслаивается в виде черной пленки. [1]

          9.1 Химизм процесса демаганации

В подземных водах марганец находится в виде хорошо растворимых солей в двухвалентном со­стоянии (Mn2+). Для удаления марганца из воды его необходимо перевести в нерастворимое со­стояние окислением в трех- и четырехвалентную форму (Mn3+ и Mn4+). Окисленные формы марган­ца гидролизуются с образованием практически нерастворимых гидроксидов Mn(OH)3 и Mn(OH)4. Последний при осаждении на зернистой загрузке фильтра проявляет каталитические свойства, то есть ускоряет процесс окисления двухвалентного марганца растворенным кислородом.

Для эффективного окисления марганца кисло­родом необходимо, чтобы значение рН очищаемой воды было на уровне 9,5-10,0. Перманганат калия, хлор или его производные (гипохлорит натрия), озон позволяют вести процесса демаганации при меньших значениях рН, равных 8,0-8,5. Для окис­ления 1 мг растворенного марганца нужно 0,291 мг кислорода. [1]

          9.2 Методы деманганации. Глубокая аэрация с последующим фильтро­ванием

          На первом этапе очистки из воды под вакуумом извлекают свободную углекислоту, что способствует повышению значения рН до 8,0-8,5. Для этой цели используют вакуумно-эжекционный аппарат, при этом в его эжекционной части происходят дисперги­рование воды и ее насыщение кислородом воздуха. Далее вода направляется на фильтрацию через зер­нистую загрузку, например, кварцевый песок.

Этот метод очистки применим при перманганатной окисляемости исходной воды не бо­лее 9,5 мгО/л. В воде обязательно присутствие двухвалентного железа, при окислении кото­рого образуется гидроксид железа, адсорбиру­ющий Mn2+ и каталитически его окисляющий. Соотношение концентраций [Fe2+] / [Mn2+] не должно быть менее 7/1. Если в исходной воде такое соотношение не выполняется, то в воду дополнительно дозируют сульфат железа (же­лезный купорос). [1]

          9.3  Деманганация перманганатом калия

          Метод применим как для поверхностных, так и для подземных вод. При введении в воду перманганата калия растворенный марганец окисляется с образованием малорастворимого оксида марган­ца согласно следующему уравнению:

                       3 Mn2+ + 2 KMnO4 + 2 H2O = 5 MnO2 + 4 H+.      (9-1)

          Осадок представляет собой смесь MnO2 • 2 H2O  и  Mn(OH)4.

Осажденный оксид марганца в виде хлопьев име­ет высокую развитую удельную поверхность - при­мерно 300 м2 на 1 г осадка, что определяет его вы­сокие сорбционные свойства. Осадок - хороший катализатор, позволяющий вести демангацию при рН = 8,5.

В соответствии с уравнением (4.89) для удале­ния 1 мг Mn2+ требуется 1,92 мг перманганата ка­лия. Как уже отмечалось, перманганат калия обес­печивает удаление из воды не только марганца, но и железа в различных формах. Также удаляются запахи и за счет сорбционных свойств улучшаются вкусовые качества воды.

Практические данные по удалению марган­ца с помощью перманганата калия показывают, что доза его должна составлять 2 мг на каждый мг марганца, при этом окисляется до 97%. Mn2+. После перманганата калия вводят коагулянт для удаления продуктов окисления и взвешенных ве­ществ и далее фильтруют на песчаной загрузке.

          При очистке от марганца подземных вод парал­лельно с перманганатом калия вводят активиро­ванную кремниевую кислоту из расчета 3-4 мг/л или флокулянты. Это позволяет укрупнить хлопья оксида марганца. [1]

          9.4  Каталитическое окисление марганца

          Как и в процессах очистки от железа, так и при деманганации предварительное осаждение ок­сидов марганца на поверхности зерен фильтрую­щей загрузки оказывает каталитическое влияние на процесс окисления двухвалентного марганца растворенным кислородом. В процессе фильтро­вания предварительно аэрированной и при необходимости подщелоченной воды на зернах песча­ной загрузки образуется слой осадка гидроксида марганца Mn(OH)4. Ионы растворенного Mn2+ ад­сорбируются поверхностью гидроксида марганца и гидролизуются, образуя оксид трехвалентного марганца Mn2O3.

Последний окисляется растворенным кислоро­дом вновь до Mn(OH)4, который опять участвует в процессе каталитического окисления. Как всякий классический катализатор, Mn(OH)4 почти не рас­ходуется. Уравнения реакций этих процессов мож­но представить следующим образом:

Mn(OH)4 + Mn(OH)2 = Mn2O3 + 3 H2O;                       (9-2)
2
Mn2O3 + 2 O2 + 8 H2O = Mn(OH
)4↑.                        (9-3)

          Практическая реализация таких процессов возможна при использовании каталитических на­полнителей. Можно отметить, что значение рН очи­щаемой воды может быть меньше, чем в традици­онных процессах деманганации. [1]

           9.5 Фильтрование через модифицированную загрузку

Для повышения ресурса работы фильтрующей загрузки за счет закрепления пленки катализато­ра из гидроксидов железа и оксида марганца на поверхности зерен, а также для уменьшения рас­хода перманганата калия, предлагается следую­щий метод.

Перед началом фильтрования через фильтрую­щую загрузку последовательно пропускают снизу вверх раствор железного купороса (FeSO4) и перманганат калия, а затем загрузку обрабатывают тринатрийфосфатом (Na3PO4) или сульфитом на­трия (Na2SO3).

          Скорость фильтрования исходной воды, пода­ваемой сверху вниз, составляет 8-10м/ч. Катали­тическую пленку можно создать также, пропуская через загрузку фильтра 0,5%-ный раствор хлорида марганца и перманганата калия.[1]

           9.6 Введение реагентов-окислителей

Скорость процесса окисления двухвалентного марганца реагентами-окислителями из ряда: хлор, диоксид хлора (ClO2), гипохлорит натрия, озон - за­висит от величины рН исходной воды.

При введении хлора или гипохлорита натрия эффект окисления достигается в достаточно пол­ной мере при значениях рН не менее 8,0-8,5 и времени контакта окислителя и воды 60-90 мин. В большинстве случаев (если окислитель - только кислород и рН <7,0) обрабатываемая вода должна быть подщелочена. Требуемая доза реагента для окисления Mn2+ до Mn4+ по стехиометрии состав­ляет 1,3 мг на каждый миллиграмм растворенного двухвалентного марганца. Фактические дозы го­раздо выше.

Обработка воды озоном или диоксидом хлора значительно эффективнее. Процесс окисления марганца завершается в течение 10-15 мин при значении рН воды 6,5-7,0. Доза озона по сте­хиометрии составляет 1,45 мг, а диоксида хлора 1,35 мг на 1 мг двухвалентного марганца. Одна­ко при озонировании воды озон подвержен ката­литическому разложению оксидами марганца, а потому доза должна быть увеличена.

         Указанные количества окислителей KMnO4, ClO2, O3 - теоретические. Практически дозы окис­лителей зависят от значения рН, времени контакта окислителей с водой, от образующихся отложе­ний, содержания органических веществ, конструк­ции аппаратов и могут составить увеличение по сравнению с теоретическими количествами: для KMnO4 - в 1-6 раз, для ClO2 - в 1,5-10 раз, для O3 - 1,5-5 раз. [1]

9.7 Удаление марганца методом ионного обмена

Удаление марганца (II) методом ионного обме­на так же, как и железа (II), происходит при натрий-и водород-катионировании. Метод целесообразен при необходимости одновременного глубокого умягчения воды и проведения обезжелезивания и деманганации.[1]

           10. Ультрафиолетовое обеззараживание воды

Ультрафиолетовым называется электромагнит­ное излучение в пределах длин волн от 10 до 400 нм. Для обеззараживания используется «ближняя об­ласть»: 200-400 нм (длина волн природного уль­трафиолетового излучения у поверхности земли больше 290 нм). Наибольшим бактерицидным действием обладает электромагнитное излуче­ние на длине волны 200-315 нм и максимальным проявлением в области 260+10 нм. В современных УФ-устройствах применяют излучение с длиной волны 253,7 нм.

Метод УФ-дезинфекции известен с 1910 г., когда были построены первые станции для об­работки артезианской воды во Франции и Гер­мании. Бактерицидное действие ультрафиоле­товых лучей объясняется происходящими под их воздействием фотохимическими реакциями в структуре молекулы ДНК и РНК, составляющи­ми универсальную информационную основу ме­ханизма воспроизводимости живых организмов. Результат этих реакция - необратимые повреж­дения ДНК и РНК. Кроме того, действие ультра­фиолетового излучения вызывает нарушения в структуре мембран и клеточных стенок микроор­ганизмов. Всё это, в конечном итоге, приводит к их гибели.

          10.1 Технология проведения

УФ-стерилизатор представляет собой металли­ческий корпус, внутри которого находится бактери­цидная лампа. Она, в свою очередь, помещается в защитную кварцевую трубку. Вода омывает квар­цевую трубку, обрабатывается ультрафиолетом и, соответственно, обеззараживается. В одной уста­новке может быть несколько ламп.

          Основной параметр, определяющий эффектив­ность обеззараживания воды - доза УФ-излучения (D, мДж/см2) - произведение интенсивности потока бактерицидных лучей на продолжитель­ность облучения:

D = E t                                                   (10-1)

(E - интенсивность потока УФ-излучения, мВт/см2; t - время воздействия, с).

         Степень инактивации или доля погибших под воздействием УФ-излучения микроорганизмов пропорциональны интенсивности излучения и вре­мени воздействия.

         Процесс отмирания бактерий описывается уравнением:

Р=роехр (- ЕТ),                                          (10-2)

    К 

где р - число бактерий, оставшихся в живых пос­ле бактерицидного облучения, в единице объема; р0 - начальное число бактерий в единице объема; E - интенсивность потока бактерицидных лучей; T - время воздействия; k - коэффициент сопротив­ляемости бактерий.

Соответственно количество обезвреженных (инактивированных) микроорганизмов экспонен­циально растет с увеличением дозы облучения. Из-за различной сопротивляемости микроорганиз­мов доза ультрафиолета, необходимая для инак­тивации, например, 99,9%, сильно варьируется от малых доз для бактерий до очень больших доз для  спор и простейших.

При прохождении через воду УФ-излучение ослабевает вследствие эффектов поглощения и рассеяния. Для учета этого ослабления вводится коэффициент-(а) поглощения водой,  значение кото­рого зависит от качества воды, особенно от содер­жания в ней железа, марганца, фенола, а также от мутности воды.

          При отсутствии экспериментальных данных можно пользоваться значениями а, см-1:

          -для бесцветных, не требующих обезжелезивания, подземных глубокого залегания вод - 0,1;

          -для родниковой, грунтовой и инфильтрационной воды - 0,15;

          -для поверхностной обработанной (очищенной) воды - 0,2-0,3. [1]

 

          10.2 Условия применения метода

Обеззараживание УФ-излучением рекоменду­ется применять для обработки воды, соответству­ющей требованиям:

          -мутность - не более 2 мг/л (прозрачность по шрифту > 30 градусов);

          -цветность - не более 20 градусов платинокобальтовой шкалы;

          -содержание железа (Fe) - не более 0,3 мг/л (по СанПиН 2.1.4.1074-01) и 1 мг/л (по технологии установок УФ);

          -коли-индекс - не более 10 000 шт./л.

Для оперативного санитарного и технологи­ческого контроля эффективности и надежности обеззараживания воды ультрафиолетом, как и при хлорировании и озонировании, применяется опре­деление бактерий кишечной палочки (БГКП). Их ис­пользование для контроля качества воды, обрабо­танной ультрафиолетом, основывается на том, что основной вид этой группы бактерий Е-коли обла­дает одним из самых больших коэффициентов со­противляемости к этому типу воздействия в общем ряду интеробактерий, в том числе и патогенных.

Опыт применения ультрафиолета показывает: если в установке доза облучения обеспечивается не ниже определенного значения, то гарантируется устойчивый эффект обеззараживания. В мировой практике требования к минимальной дозе облуче­ния варьируются в пределах от 16 до 40 мДж/см2. Минимальная доза, соответствующая нормативам, - 16 мДж/см2.[1]

          10.3 Положительные и отрицательные качества метода

          Достоинства:

         -наименее «искусственный» - ультрафиолето­вые лучи;

универсальность и эффективность поражения различных микроорганизмов - УФ-лучи уничто­жают не только вегетативные, но и спорообразующие бактерии, которые при хлорировании обычными нормативными дозами хлора сохра­няют жизнеспособность;

         -физико-химический состав обрабатываемой воды сохраняется;

         -отсутствие ограничения по верхнему пределу дозы;

         -не требуется организовывать специальную сис­тему безопасности, как при хлорировании и озонировании;

         -отсутствуют вторичные продукты; не нужно создавать реагентное хозяйство;

         -оборудование работает без специального об­служивающего персонала;

        - в соотношении  «качество обеззараживания, цена» метод лучше других.

        Недостатки:

        -падение эффективности при обработке плохо очищенной воды (мутная, цветная вода плохо «просвечивается»);

        -периодическая отмывка ламп от налетов осад­ков, требующаяся при обработке мутной и жес­ткой воды;

        -отсутствует «последействие», то есть возмож­ность вторичного (после обработки излучени­ем) заражения воды. [1]

10.4 Источник бактерицидного излучения

В настоящее время для обеззараживания воды применяется два основных типа ламп: ртутные газо­разрядные лампы низкого (ЛНД) и высокого (ЛВД) давления. ЛНД имеют высокий (до 40%) КПД преоб­разования электрической энергии в излучение бак­терицидного диапазона и сравнительно низкую (до 200 Вт) единичную мощность. ЛВД имеют низкий (до 8%) КПД и высокие (до 10 кВт) единичные мощности. В спектре излучения ЛВД присутствует коротковол­новое излучение, способное приводить к образова­нию озона, что создает дополнительные трудности в обеспечении безопасной работы персонала.

Современные конструкции ламп обеспечивают необходимую мощность излучения на длине волны 253,7 нм, и этой мощности достаточно, чтобы в те­чение 3-5 с бактерицидное действие было макси­мальным: эффективность уничтожения бактерий и вирусов - 99,9%. При таком значении длины волны защитные чехлы должны изготавливаться из спе­циальных материалов (увиолевое стекло, флюо­рит, кварцевое стекло и др.), так как, например, обычное оконное стекло непрозрачно для УФ-лучей с длиной волны меньше 320 нм.

Потребная бактерицидная мощность источников излучения для обеззараживания воды опреде­ляется:

F6 =Q α K lg (P / Po) / 1563,4 • η П η О                                           (10-3) 

где F6 - потребная бактерицидная мощность источников излучения, Вт; Q - производитель­ность аппарата, м3/ч; а - коэффициент поглоще­ния облучаемой водой бактерицидного излучения, см-1; K - коэффициент сопротивляемости бактерий кишечной палочки (мкВт • с/см2), принимаемый равным 2500; Po - коли-индекс воды до облучения, ед./л; Р - коли-индекс воды после облучения (ед./л), не превышающий 3;η О - коэффициент использо­вания бактерицидного облучения, принимаемый равным 0,9 (чехлы из кварцевого стекла в виде по­лых цилиндров поглощают 1-11% потока); η П - ко­эффициент использования интенсивности потока бактерицидных лучей, принимающийся по данным изготовителя аппарата. 

Таблица 10-1 Характеристики ламп ультрафиолетового излучения 

          Количество ламп, шт.: 

n = F6 / F                                                                                           (10-4) 

где F11 - мощность одной лампы, Вт; F6 - пот­ребная бактерицидная мощность источников излу­чения, Вт.

         Расход электроэнергии на обеззараживание воды: 

S = N n / Q.                                                                       (10-5) 

Здесь - S - расход электроэнергии, Вт • ч/м3; N - потребляемая мощность одной лампы, Вт; Q - производительность аппарата, м3/ч.

         В настоящее время разработана новая серия  УФ-ламп - амальгамных низкого давления повы­шенной мощности (до 200-350 Вт), не содержащих свободной ртути. Эта конструкция ламп позволяет создавать компактные УФ-системы большой про­изводительности до 3000 м3/ч питьевой воды.

         А также существуют бактерицидные лампы с длиной волны 185 нм. Бактерицидное излучение с такой длиной волны более действенно, чем у излучения с длиной волны 254 нм. Для пропуска излучения с такой длиной волны разработчикам удалось создать специальное кварцевое стекло.

         Энергозатраты: 8-70 Вт на установке произво­дительностью 500 л/ч. Эффективный выход излу­чения - 25% мощности лампы.

         В установке достигается синэнергетический эффект: в одном корпусе объединены устройства, генерирующие кавитацию и ультрафиолетовое из­лучение, так, что бактерии и вирусы подвергают­ся их одновременному воздействию. [1] 

10.5 Сравнение основных методов обеззараживания воды: хлорирование, озонирование, ультрафиолетовое облучение

Каждая из трех технологий, если она приме­няется в соответствии с нормами, может обеспе­чить необходимую степень инактивации бактерий, в частности, по индикаторным бактериям группы кишечной палочки и общему микробному числу.

По отношению к цистам патогенных простей­ших высокую степень очистки не обеспечивает ни один из методов. Для удаления этих микроорга­низмов рекомендуется сочетать процессы обезза­раживания с процессами уменьшение мутности.

Озон и ультрафиолет имеют достаточно высо­кий вируцидный эффект при реальных для прак­тики дозах. Хлорирование менее эффективно по отношению к вирусам.

Технологическая простота процесса хлори­рования и недефицитность хлора обусловливают широкое распространение именно этого метода обеззараживания.

Метод озонирования наиболее технически сложен и дорогостоящ по сравнению с хлорирова­нием и ультрафиолетовым обеззараживанием.

Ультрафиолетовое излучение не меняет хи­мический состав воды даже при дозах, намного превышающих практически необходимые. Хлори­рование может привести к образованию нежела­тельных хлорорганических соединений, обладаю­щих высокой токсичностью и канцерогенностью. При озонировании также возможно образование побочных продуктов, классифицируемых нормати­вами как токсичные, альдегиды, кетоны и другие  алифатические ароматические соединения.

Ультрафиолетовое излучение убивает мик­роорганизмы, но «образующиеся осколки» (кле­точные стенки бактерий, грибков, белковые фрагменты вирусов) остаются в воде. Поэтому ре­комендуется последующая тонкая фильтрация.

          Только хлорирование обеспечивает консерва­цию воды в дозах 0,3-0,5 мг/л, то есть обладает необходимым длительным действием.[1] 

           11.Электрохимические методы

Электрохимические методы находят широкое применение, когда традиционные способы меха­нической, биологической и физико-химической об­работки воды оказываются недостаточно эффек­тивными или не могут использоваться, например, из-за дефицита производственных площадей, сложности доставки и использования реагентов или по другим причинам.

Установки по реализации этих методов компакт­ны, высокопроизводительны, процессы управления и контроля сравнительно просто автоматизируются.

Обычно электрохимическая обработка исполь­зуется в сочетании с другими способами очистки, позволяя успешно очистить природные воды от примесей различного состава и дисперсности.

Электрохимическими методами можно коррек­тировать физико-химические свойства обрабатыва­емой воды, они обладают высоким бактерицидным эффектом, значительно упрощают технологические схемы очистки. Во многих случаях электрохимичес­кие методы исключают «вторичное» загрязнение воды анионными и катионными остатками, харак­терными для реагентных методов.[1]         

          11.1 Сущность процесса

Электрохимическая очистка воды основана на электролизе, сущность которого заключается в использовании электрической энергии для про­ведения процессов окисления и восстановления. Процесс электролиза протекает на поверхности электродов, находящихся в электропроводном растворе, - электролите.

Для процесса электролиза необходимы: раствор электролита - загрязненная вода, в ко­торой всегда присутствуют ионы в той или иной концентрации, обеспечивающие электропрово­димость воды;

         -электроды, погруженные в раствор электро­лита;

         -внешний источник тока;

         -токоподводы - металлические проводники, со­единяющие электроды с источником тока.

         Вода сама по себе - плохой проводник, одна­ко находящиеся в растворе заряженные ионы, об­разующиеся при диссоциации электролита, под действием напряжения, приложенного к электро­дам, двигаются по двум противоположным направ­лениям: положительные ионы (катионы) к катоду, отрицательные (анионы) - к аноду. Анионы отдают аноду свои «лишние» электроны, превращаясь в нейтральные атомы. Одновременно с этим катио­ны, достигая катода, получают от него недостаю­щие электроны и также становятся нейтральными атомами или группой атомов (молекулами). При этом число электронов, получаемых анодом, равно числу электронов, передаваемых катодом. В цепи протекает постоянный электрический ток.

Таким образом, при электролизе протекают окислительно-восстановительные процессы: на аноде - потеря электронов (окисление), на като­де - приобретение электронов (восстановление). Однако механизм электрохимических реакций существенно отличается от обычных химических превращений веществ. Отличительная особен­ность электрохимической реакции - пространс­твенное разделение электрохимических реакций на два сопряженных процесса: процессы разложе­ния веществ или получения новых продуктов про­исходят на границе электрод-раствор при помощи электрического тока.

При проведении электролиза одновременно с электродными реакциями в объеме раствора про­исходят изменение рН и окислительно-восстано­вительного потенциала системы, а также фазово-дисперсные превращения примесей воды.[1]

 

            

1-анод, 2-катод, 3-источник тока.

 

          11.2  Классификация электрохимических методов

Электрохимические методы обработки воды можно разделить на три основные группы.

Первая группа обеспечивает изменение физи­ко-химических характеристик загрязнений с це­лью их обезвреживания или более быстрого извле­чения из воды. Из методов этой группы наиболее широко используется метод электрокоагуляции.

Вторая группа предназначена для концентриро­вания примесей в ограниченном объеме электроли­та без существенного изменения фазово-дисперсных или физико-химических свойств извлекаемых веществ. Разделение примесей и воды происхо­дит, в основном, за счет флотации электрогенерируемыми пузырьками газа или силового действия электрического поля, обеспечивающего транспорт заряженных частиц в жидкости - метод электро­флотации.

Из электрохимических методов разделения на­ибольшее распространение получил метод элек­тродиализа с целью обессоливания природных и промышленных сточных вод.

Третью группу составляют комбинированные методы, которые предполагают совмещение одно­го или нескольких методов превращения и разде­ления загрязнений в одном аппарате. Эта группа, в основном, применяется для очистки сточных вод.

Электрокоагуляция

Процесс очистки воды от коллоидных и мел­кодисперсных примесей с

использованием коагу­лянтов - гидроксидов металлов (алюминия, желе­за) - можно осуществлять, пропуская воду через электролизер с анодами из указанных металлов (алюминий, железо). Металл анодов под действи­ем постоянного тока ионизируется и переходит в очищаемую воду. Образующиеся в воде гидроксиды алюминия или железа коагулируют дисперсную фазу.

Растворение в воде 1 г алюминия эквивалентно введению в воду 6,33 г Al2(SO4)3, растворение 1 г железа - введению 2,9 г FeCl3 или 3,58 Fe2(SO4)3.[1]

 

12. Электрофлотация

Сущность электрофлотационного метода очис­тки заключается в переносе вещества из объема жидкости на ее поверхность с помощью пузырьков газа, образующихся при электролизе воды. Газо­вые пузырьки поднимаются в жидкости, сталкива­ются со взвешенными частицами, прилипают к ним и выносят их на поверхность жидкости. Основную роль в процессе флотации частиц выполняют, как правило, пузырьки, выделяющиеся с поверхности катода.

Электрофлотацию часто применяют для очист­ки сточных вод нефтеперерабатывающих заводов, пищевых предприятий, а также при разделении и уплотнении активного ила после аэротенков на биологических очистных сооружениях.[1]

          

          12.1  Материалы и конструкции электродов

Процесс электролиза проводят в специальном реакторе - электролизере. Важный элемент в конс­трукции электролизеров - электроды. Обычно на электродах - как на аноде, так и на катоде - про­текает одновременно не одна, а несколько реакций. Распределение тока между целевой и побочными реакциями можно в определенной степени регулиро­вать выбором материала электрода, его обработкой и условиями протекания электродного процесса.

Одно из наиболее принципиальных требований к материалу для изготовления электродов - корро­зионная устойчивость. Это очень важно для мате­риалов анодов, обычно работающих в более жес­тких коррозионных условиях.

          Катодные материалы

Наиболее широко в электрохимических систе­мах для катодов используют металлы: железо и его сплавы, никель, медь. Все эти металлы устойчивы при катодной поляризации в щелочных и нейтраль­ных средах. Исключительной коррозионной стой­костью обладают титан, цирконий, ниобий и тантал (Ti, Zr, Nb, Ta), однако их широкому внедрению в качестве катодных материалов препятствует цена этих материалов и ряд специфических свойств, в частности, склонность к наводораживанию (погло­щению водорода, выделяющегося на катоде).

При электролизе водных растворов особое значе­ние приобретают реакции выделения водорода (на катоде) и кислорода (на аноде). В зависимости от требований к процессу обработки эти реакции могут быть целевыми - должны осуществляться с макси­мальной эффективностью, или побочным, то есть подавляться. Активность электродного материала по отношению к реакции выделения водорода или кис­лорода характеризуется перенапряжением выделе­ния водорода и кислорода соответственно. Чем ниже перенапряжение, тем легче протекает реакция.

Низкое перенапряжение выделения водорода имеют благородные металлы - платина, палладий, иридий, осмий, рутений, родий, осмий, золото. По экономическим соображениям применяются ка­тоды, изготовленные из стали, никеля, кобальта, титана, покрытых тонким слоем платины или ее сплавов с другими благородными металлами.

          Из неметаллических материалов используют графит, пирографит и стеклоуглерод.

          Анодные материалы

Аноды должны сохранять свои свойства в очень жестких условиях эксплуатации - агрессивные среды, повышенные температуры. Кроме того, при электролизе выделяется кислород, в результате чего поверхность всех металлов (исключение со­ставляет золото) покрывается оксидами. Оксидная пленка может предохранять некоторые металлы от дальнейшего окисления, и они сохраняют стабиль­ность, что позволяет использовать их в качестве анодных материалов. К сожалению, таких метал­лов очень мало. К ним относятся металлы плати­новой группы, а в щелочных средах - еще никель и сталь. Остальные металлы в качестве нераство­римых анодов не пригодны.

Ассортимент анодных материалов расширя­ется за счет использования углеграфитов. Гра­фитовые аноды удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к анодам: высокая электропроводимость, приближающаяся к ме­таллической, стойкость к химическим воздейс­твиям, стабильность характеристик при анодной поляризации, невысокая стоимость. Основной недостаток графитовых анодов - износ в про­цессе электролиза. Для повышения стойкости графитовые аноды пропитывают различными материалами - синтетическими смолами, поли­мерными маслами. В последнее время в качес­тве материала анода начал применяться стеклоуглерод, отличающийся большой химической стойкостью, достаточной проводимостью, хотя она в 3-4 раза ниже, чем у графита.

Из металлических анодов чаще всего применя­ются платина и ее сплавы. Основной недостаток -высокая стоимость. С целью экономии используют аноды, в которых платина наносится тонким слоем на основу, сохраняющую пассивное состояние за счет существования на ее поверхности оксидных пленок. Наибольшее распространение в качест­ве основы получил титан. Хорошие механические свойства позволяют изготовлять из титана аноды любой конструкции.

Широкое применение находят композиционные аноды, их поверхность состоит из оксидов двух или более металлов. Самый известный анод этого типа - оксиднорутениевый титановый анод (товар­ный знак ОРТА). ОРТА состоит из титановой осно­вы, на которую нанесен активный слой, состоящий из диоксида рутения RuO2 и диоксида титана TiO2. Кроме высокой коррозионной стойкости, электрод характеризуется низким перенапряжением выде­ления хлора и кислорода (ниже, чем на платине). По своей селективности к реакции выделения хло­ра ОРТА превосходит все известные электродные материалы.[1]

 

12.2 Конструкции электродов

К конструкции электродов предъявляются тре­бования:

процесс электролиза должен протекать в на­иболее благоприятных гидродинамических усло­виях, при которых эффективно осуществляется подвод исходных веществ к поверхности электро­да и обеспечивается удаление продуктов электро­химической реакции, в том числе газообразных;

токоподвод к электроду должен гарантиро­вать равномерное распределение тока по его по­верхности при минимальных омических потерях в материале электрода;конструкция электрода должна обеспечить минимальный расход драгоценных металлов;

необходимое условие: все элементы конс­трукции электрода обладают коррозионной стой­костью, достаточной для длительной эксплуатации в рабочем режиме.

По типу включения различают монополярные и биполярные электроды. У монополярных электро­дов вся поверхность поляризуется одним знаком, и требования к материалу и поверхности электро­да одинаковы для всех его частей. В биполярных электродах одна их часть работает как катод, а другая как анод. Обе части такого электрода долж­ны быть надежно электрически соединены между собой с возможно более низким электрическим со­противлением. В простейшем случае биполярный электрод - это пластина, на одной поверхности которой протекает анодная реакция, на другой - ка­тодная.

Широко применяются электроды в виде различ­ного рода сеток или листов металла с перфораци­ей или просечкой отверстий без потери металла. Такие электроды имеют развитую поверхность и позволяют рационально осуществлять отвод газо­образных продуктов из зоны электролиза.[1]

           

        13. Электродиализ

        Перераспределение и концентрирование рас­творенных в воде примесей осуществляется элек­тродиализом. Сущность метода заключается в использовании направленного движения ионов под действием электрического поля. Если к элек­тродам приложить напряжение, то находящиеся в растворе ионы придут в движение в соответствии со знаком их заряда - отрицательно заряженные (анионы) к аноду, положительные (катионы) - к катоду.

       Если разделить электролизер на три отделения, в двух крайних разместить электроды (отделения называют электродными камерами) и пропускать электрический ток то концентрация солей в элек­тродных камерах будет возрастать, а в среднем отделении - уменьшаться (рис. 2.4.4). Для разде­ления камер такого электролизера-диализатора используют ионообменные мембраны, которые обладают способностью селективно пропускать ионы одного знака и препятствовать движению противоположно заряженных ионов. Перенос тока в мембране осуществляется не закрепленными в матрице ионами - противоионами. Чем больше число подвижных ионов, то есть выше обменная емкость, тем больше электропроводимость мемб­раны Основные электрохимические характеристики мембран - селективная проницаемость и электро­проводимость, которые определяются количеством ионообменных групп в матрице и их природой.

       Для поддержания электрического тока в цепи на электродах должны проходить электрохимичес­кие реакции - на катоде в основном выделение во­дорода, на аноде - выделение кислорода: в ячейках трехкамерного аппарата для электрохимического обессоливания воды.

 

 

(13-1)

(13-2)

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок. 13.1 - Схема изменения концентрации растворов

 

В соответствии с уравнениями реакций раствор в катодной камере будет подщелачиваться, в анод­ной -- подкисляться.

В настоящее время используются многокамер­ные электролизеры с большим числом пар катионо- и анионообменных мембран (рисунок. 13.2). Такие установки представляют собой электролизеры, состоящие из 100-200 гидравлических камер, ко­торые могут быть соединены последовательно или параллельно с горизонтальной или вертикальной циркуляцией воды.  Селективность мембран созда­ет условия, при которых из нечетных камер ни ка­тионы, ни анионы не могут пройти в соседние каме­ры, вследствие того, что знак их заряда совпадает со знаком соответственно катионообменных и анионообменных мембран. Поэтому в четных камерах происходит процесс опреснения, а в нечетных, на­оборот, концентрация солей, в результате чего в камерах образуется рассол. Обессоленная вода и концентрированный раствор отводятся по соот­ветствующим трубопроводам.

 

 

 

 

 

 

  

Рисунок 13.2  Схема многокамерного электролизера

I - катод; II - анод; С - катионитовые мембраны; А - анионитовые мембраны; 1 - присоединение к отрицательному полюсу выпрямителя; 2 - выход газообразного водорода; »© 3 - подача воды на промывку катодной камеры; 4 - подача солоноватой воды в рассольные камеры; 5 - то же, в опреснительные камеры: 6 - подача воды на промывку анодной камеры; 7 - выход газообразных кислорода и хлора; 8 - присоединение к положительному полюсу выпрямителя; 9 - отвод опресненной воды; 10 - отвод концентрированного рассола

          Щелочной раствор из катодной камеры и кислый раствор из анодной камеры могут отводиться самостоятельно по от­дельным линиям для дальнейшего использования или же, если такой необходимости нет, подсоеди­няться к линии рассола.

В электродиализаторах применяются химичес­ки стойкие электроды из платинированного тита­на, ОРТА, реже - из нержавеющей стали или гра­фита.[1]

13.1 Методы организации процесса

Организация процесса электродиализа: он мо­жет быть однонаправленным (классическим) или обратимым.

При однонаправленной схеме полярность при­ложенного постоянного напряжения и назначение камер (опресняющих и концентрирующих) оста­ются неизменными. Недостаток такой схемы - за­грязнение поверхности мембран минеральными и неминеральными веществами, содержащимися в воде (соли жесткости, органические и неоргани­ческие коллоиды, микробиологические организмы и т.д.).

При обратимом процессе происходит периоди­ческое изменение полярности приложенного на­пряжения. Отсек, который вначале был опресняю­щим, при изменении направления тока становится концентрирующим, и наоборот. Так осуществляет­ся очистка мембран от загрязнений.

Особенность обратимого электродиализа - ис­пользование симметричных мембран, то есть они работают одинаково в обоих направлениях, и сис­темы ОЭД имеют симметричную конфигурацию.

          Недостаток метода - необходимость предва­рительной очистки вод от взвешенных и колло­идных частиц, которые могут засорять ионитные мембраны.[1]

 

13.2 Технологические особенности мембран и аппаратов

Показатели работы электродиализных устано­вок определяются, в первую очередь характерис­тиками мембран.

Через идеальную катионообменную мембрану осуществляется перенос только катионов, через анионообменную - только анионов. В реальных условиях мембраны не обладают идеальной се­лективностью и частично переносят ионы обоих зарядов.

Кроме селективности, ионнообменная мембра­на должна обладать общими свойствами: высокой электропроводимостью, химической и механичес­кой стойкостью в окислительных средах, стабиль­ностью характеристик, большим сроком службы. Кроме того, ионообменная мембрана должна мак­симально ограничивать транспорт гидратной воды (перенос молекул воды совместно с ионом, обыч­но в виде гидратной оболочки последнего).

Толщина мембран должна быть минимальной, чтобы наименьшим было сопротивление электро­току. Но в то же время толщина должна быть до­статочной для механической прочности мембраны в связи с неравномерным распределением гидрав­лического давления в камерах деминерализации и концентрирования.

По функциональному назначению мембраны мо­гут быть катионообменными, анионообменными и биполярными. По составу полимерной пленки - го­могенными и гетерогенными.

Гетерогенные мембраны получают прессова­нием тонкоизмельченной смолы и инертного свя­зующего. Такими пластичными связующими ма­териалами могут быть полиэтилен, полистирол, полиизобутилен, каучуки. Химическая стойкость мембран возрастает при использовании в качестве связующего материала фторолефинов. В гетеро­генных мембранах, выпускаемых нашей промыш­ленностью, в качестве связующего используется полиэтилен.

Гомогенные мембраны изготовляют из одной ионообменной смолы. Такие мембраны обладают высокими электрохимическими характеристика­ми, хотя механически они недостаточно прочны.

Наиболее перспективными считаются гомоген­ные мембраны. Их получают полимеризацией или сополимеризацией ненасыщенных соединений, одно из которых содержит готовые ионогенные группы или такие функциональные группы, кото­рые легко переводятся в ионогенные (амидные, эфирные).

Плотность тока в электродиализаторах - 0,2-1,0 А/дм2. Чем больше плотность тока, тем больше затраты электроэнергии. При резком уве­личении плотности тока может начаться перегрев и даже прожог мембран - допускаемая температу­ра нагрева не более 60°С.

Расход электроэнергии при оптимально органи­зованной технологии и минерализации исходной воды не менее 1 г/л составляет примерно 1 Вт/л. При уменьшении минерализации воды, особенно менее 0,5 г/л, затраты электроэнергии на преодо­ление электрического сопротивления воды стано­вятся значительными, и следует оценивать техно­логию по экономическим критериям.

Напряжение на электродиализаторе (в зависи­мости от количества камер, степени минерализа­ции исходной и деминерализованной воды) может колебаться в пределах от 300 до 1000 В.

Очень важное свойство ионообменных мемб­ран - склонность к набуханию, которая связана сгидратацией фиксированных ионообменных групп и противоионов. Чем больше обменная емкость и спо­собность к гидратации ионов всех видов, тем больше набухание мембран. Ненабухающие мембраны про­водят ток в незначительной степени, а при набухании молекулы воды вызывают диссоциацию ионогенных групп, и противоионы вместе с вошедшим в мембра­ну электролитом начинают переносить ток.

Хорошими эксплуатационными характерис­тиками обладают полученные на основе фтори­рованных ненасыщенных соединений мембраны МРФ-26 и МРФ-4МБ, содержащие -SO3H в качес­тве ионогенных групп. МРФ-4МБ весьма термо­стойка и может применяться при 100 °С и выше. Эти мембраны показали химическую стойкость в сильных окислительных средах: хромовой кисло­те, гипохлорите натрия, концентрированной ще­лочи и серной кислоте. Еще большей химической стойкостью обладает мембрана МФ-4СК, выдер­живающая действие наиболее активного для ионитных мембран окислителя - 10%-ного раствора H2O2. Для обеспечения механической прочности мембран МФ-4СК смолу наносят на ткань из поли­тетрафторэтилена.

Наиболее совершенные мембраны производят­ся в настоящее время японскими фирмами «Асахи кемикал» и «Асахи гласс» на основе перфторуглеродных материалов с -COOH в качестве ионоген­ных груп, а также фирмой «Дюпон» (США).[1]

13.3 Конструкции и схемы

Уменьшение омических потерь в растворе до­стигается максимально возможным сближением электродов и соответственно мембран. Интервалы между ними обеспечиваются прокладками различ­ной конструкции, чаще всего - лабиринтно-сетчатыми. Прокладки выполняют также важную роль турбулизации потока воды (уменьшение опаснос­ти возникновения отложений). Применяются и про­филированные мембраны (без прокладок), и про­кладки струнного типа.

Во избежание образования застойных зон в ка­мерах концентрирования значительную часть (до 80%) получаемого раствора возвращают в диализ­ный аппарат - создается циркуляционный контур.

Введение в камеры деминерализации смеси гранулированных или в виде волокон катионитов и анионитов - способ снижения нижнего экономи­чески оптимального предела - 500 мг/л - демине­рализуемой воды (электродеионизация). В этом случае можно получить не только пресную, но и глубокодеминерализованную воду (рис. 13.2).

13.4 Условия применения метода

Мембраны электродиализные так же, как и обратноосмотические, требуют исходную воду опре­деленной чистоты. Электродиализные аппараты позволяют деми­нерализовать воду практически любой степени минерализации почти полностью.

Глубина очистки - регулировкой расхода очи­щаемой воды.

Срок службы аппаратов примерно 10 лет.

 

Рисунок  13.2 - Схема электродеионизационной установки

 

         Вода, подаваемая к электроди­ализному аппарату, должна содержать, не более:

         -жесткость общая - 40 ммоль/л;

         -взвешенные вещества - 1,5 мг/л;

         -цветность - 20 градусов по платино-кобальтовой шкале;

         -перманганатная окисляемость - 5 мгО/л;

         -железо общее (Fe) - 0,05 мг/л;

         -марганец общий (Mn) - 0,05 мг/л;

         -бораты (по ВО2) - 3 мг/л;

         -бром (Br) - 0,4 мг/л;

         -алюминий (Al) - 0,05 мг/л.

         Расход электроэнергии - 0,5-2,5 кВт • ч/м3 (в зависимости от минерализации исходной воды и других условий).

         Давление воды на входе - 0,15-2,0 МПа; на вы­ходе - 0,2-0,5 МПа.

         Температура воды на входе - 18-25°С; возмож­но повышение температуры до 40°С - в этом слу­чае расход электроэнергии уменьшается пример­но на 20-30%.

Режим работы - непрерывный. Борьба с отло­жениями солей на поверхности мембран: переполюсовка электродов с одновременным пере­ключением потоков диализата и рассола, а также подкисление рассола и католита. Возможна - при необходимости - отмывка трактов повышенными дозами кислоты и растворами комплексообразователей.[1]

 

           13.5 Основные технологические параметры электрохимических методов

Несмотря на существенные различия в механиз­ме и кинетических закономерностях применяемых на практике методов электрохимической очистки загрязненных жидкостей и на конструктивные раз­личия аппаратов для электрообработки воды, не­которые технологические показатели и методика их расчета общие.

          Важнейший показатель процесса электрохи­мической очистки воды - расход электроэнергии, необходимый для достижения требуемой степени очистки в единице объема. Удельный расход элек­троэнергии в общем случае определяется по фор­муле:

 


(13-1)

где W - удельный расход электроэнергии, Вт • ч на 1 л или кВт • ч на 1 м3 воды; I - сила тока, А; T- продолжительность электролиза, ч; U общ напряжение на электродиализаторе, Q объем воды обрабатываемой за время[1]

         

          13.6 Электрохимическое обеззараживание воды

При реализации электрохимических способов водоподготовки обеспечивается обеззараживание жидкости, так как электролиз водных растворов сопровождается образованием в объеме электро­лита сильных дезинфектантов. Наложение элек­трического поля на обрабатываемую жидкость может вызвать необратимое агрегатирование мик­роорганизмов, что позволяет их отделить на филь­тре для грубодисперсных примесей.

          В качестве средства для дезинфекции воды на­ибольшее распространение получили хлор и его кислородные соединения. Электрохимическое про­изводство хлора из хлоридных растворов с после­дующим его растворением в объеме электролита приводит к образованию мощных бактерицидных агентов HClO и ClO- - хлорноватистой кислоты и гипохлорит иона соответственно.

В последние годы наибольшее применение находят электролизные установки, позволяющие получить реагенты для обеззараживания воды не­посредственно на месте потребления. Часто в ка­честве сырья используются хлоридные растворы естественного происхождения - подземные мине­рализованные воды и морская вода.

Обработку воды хлором осуществляют с помощью хлораторов, в которых газообразный (испаренный) хлор абсорбируют водой. Полученную хлорную воду из хлоратора подают к месту потребления. Хотя этот метод обработки воды и является наиболее распро­страненным, тем не менее, он обладает целым рядом недостатков. Прежде всего, сложны транспортировка и хранение больших объемов жидкого высокотоксич­ного хлора. При такой организации процесса неиз­бежно присутствуют потенциально опасные стадии -прежде всего разгрузка емкостей с жидким хлором и его испарение для перевода в рабочую форму. Созда­ние рабочих запасов хлора на складах представляет опасность не только для рабочего персонала станции, но и для жителей расположенных рядом домов.

Как альтернативный вариант хлорированию в последние годы все шире используют обработку воды раствором гипохлорита натрия (NaClO), при­чем этот метод находит применение на больших станциях водоподготовки и на небольших объек­тах, в том числе и в частных домах.

          Обеззараживание воды и окисление примесей с использованием гипохлорита натрия, производи­мого электрохимически, впервые было применено в США в конце 30-х годов прошлого столетия.

Гипохлорит натрия обладает рядом ценных свойств. Его водные растворы не имеют взвесей и поэтому не нуждаются в отстаивании, например, в противоположность хлорной извести. Применение гипохлорита натрия для обработки воды не вы­зывает увеличения ее жесткости, поскольку он не содержит солей кальция и магния, как хлорная из­весть или гипохлорит кальция. Бактерицидный эф­фект раствора NaClO, полученного электролизом, выше, чем у других дезинфектантов, действующее начало которых - активный хлор. Кроме того, рас­твор обладает еще большим окислительным дейс­твием, чем растворы, приготовленные химическим методом, из-за более высокого содержания хлор­новатистой кислоты (HClO).

          Применяют два способа электрохимического обеззараживания: получение гипохлорита натрия электролизом с последующим введением его в об­рабатываемую воду и непосредственный электро­лиз обрабатываемой воды. Получение гипохлорита натрия в электролизере производят в периодичес­ком или непрерывном режимах. При периодическом режиме работы исходный раствор соли заливают в непроточный электролизер, проводят электролиз до получения требуемой концентрации гипохлорита натрия, затем сливают в бак-накопитель и ис­пользуют его оттуда по мере необходимости.

Проточный режим предусматривает непрерыв­ный электролиз раствора хлорида натрия с одно­временным дозированием гипохлорита в обраба­тываемую воду.

В настоящее время большинство исследова­телей и практиков отдают предпочтение двухстадийной организации процесса обеззараживания питьевой воды. На первой стадии обработку воды ведут с помощью озона - на этой стадии происхо­дит обеззараживание воды и достигается глубокая окислительная деструкция органических приме­сей. На заключительной стадии непосредственно перед подачей воды в распределительную сеть проводят так называемое финишное обеззаражи­вание с помощью хлорирующих агентов, облада­ющих длительным действием, что обеспечивает устойчивость воды к повторному инфицированию.

При использовании такой комбинированной схемы обеззараживания воды возможно значи­тельное сокращение дозировки хлорирующих агентов в 8-10 раз, что приводит соответственно и к уменьшению содержания в воде хлорированных углеводородов.[1]

 

14.  Магнитная обработка воды

В последние десятилетия  для борьбы с образованием накипи и отложений на внутренней поверхности труб и теп­лообменного оборудования применяют магнитную обработку воды. Ее широко используют в конден­саторах паровых турбин, парогенераторах низко­го давления и малой производительности, тепло­вых сетях и системах горячего водоснабжения, в различных теплообменных аппаратах.

  14.1 Технология проведения и условия применения метода

Магнитная обработка заключается в пропуска­нии потока воды через магнитное поле, создавае­мое постоянным магнитом или электромагнитом.

В настоящее время выпускают два типа аппаратов для магнитной обработки воды - с постоянными магнитами и электромагнитами. Вре­мя пребывания воды в аппарате определяется ее скоростью в пределах 1-3 м/с..

          Для чугунных и других паровых котлов с темпе­ратурой нагрева воды до 110 °С допускается:

         -карбонатная жесткость не более 7 ммоль/л;

         -содержание железа (Fe) - до 0,3 мг/л;

         -обязательна установка шламоотделителя на продувочном трубопроводе котла.

         Для водогрейных котлов с температурой нагрева воды до 95 °С в закрытой системе теплоснабжения:

         -жесткость карбонатная - не более 7 ммоль/л;

         -содержание железа (Fe) - до 0,3 мг/л;

         -воду можно не деаэрировать, если в ней содер­жание растворенного кислорода - не более 3 мг/л и сумма хлоридов (Cl-) и сульфатов (SO42-)  не более 50 мг/л;

         -часть циркулирующей воды (не менее 10% общего количества) должна проходить через до­полнительный магнитный аппарат для предотвра­щения «затухания» магнитного воздействия (анти­релаксационный контур).

         Для системы горячего водоснабжения с темпе­ратурой нагрева воды <70°С должны выполняться все указанные выше условия (жесткость карбо­натная, железо, деаэрация), но, кроме того, нужно предусмотреть, чтобы напряженность магнитного поля не была больше 159 • 103 А/м. При магнитной обработке воды необходимо учитывать значение поверхностной плотности теплового потока:

        -для паровых чугунных секционных котлов - не более 25 кВт/м2;

        -для водогрейных котлов и теплообменников - не более 50 кВт/м2 при температуре нагрева воды до 70 °С и не более 25 кВт/м2 при температуре 70-95 °С.

Для определения противонакипного эффекта Э, %, используется следующее выражение:

Э = (m mм ) • 100/ m,                                (14-1)

 где m и mм - масса накипи (г), образовавшейся на поверхности нагрева при кипячении в одинако­вых условиях одного и того же количества воды с одинаковым исходным химическим составом, соответственно, необработанной и обработанной магнитным полем.

В сравнении с распространенными методами умягче(ионообменными, баромембранными) магнитную обработку отличают простота, дешевизна, безопасность, экологичность, низкие эксплутационные расходы.[1]

          14.2 Технологические особенности метода

Несмотря на все достоинства аппаратов для магнитной обработки воды, на практике эффект обработки зачастую проявлялся только в первый период эксплуатации, затем результат пропадал. Даже появилось выражение «эффект привыкания воды». Свои свойства омагниченная вода сохраня­ет меньше суток. Это явление потери магнитных свойств называется релаксацией. Именно поэтому в системах, где вода находится в течение многих часов и дней (оборотные системы водоснабжения, циркуляционные контуры котлов и систем отопле­ния и др.), необходимо предусматривать рецир­куляционные системы, куда направлять не менее 10% находящейся в системе воды, и постоянно эту часть воды подмагничивать.

По одной из гипотез основа «омагничивания» воды - наличие в воде ферромагнитных частиц. Эти частицы обволакивают полюсы магнитов, на них налипают всякие другие частицы - происходит шунтирование магнитного поля. Внешне это похо­же на шубу, надетую на полюсы. Этим явлением объясняются случаи, когда пос­ле некоторого успешного периода эксплуатации магнитного аппарата прекращается его противонакипная «деятельность». Необходимо не реже чем один раз в 5-7 дней механически очищать полюсы магнита от отложе­ний. Для того чтобы «затруднить» накипеобразующей частице осесть на теплонапряженную поверхность, необходимо турбулизировать поток воды. Это зна­чит, что скорость воды около нагретой стенки трубы не должна быть меньше 1 м/с. В то же время длина пути, на протяжении которого осуществляется воз­действие магнита на воду, должна быть достаточ­ной.[1]

           14.3  Технология и условия применения

Аппараты для электромагнитного воздействия с переменной частотой состоят из электронного блока, обычно на основе микроконтроллера, фор­мирующего электрический сигнал с заданными па­раметрами (выходная частота, функция изменения частоты от времени) и излучателей. С помощью проводов-излучателей поток излучения концент­рируется в объеме воды, протекающей в трубоп­роводе. При этом сигналы распространяются в обе стороны трубопровода.

 Для прямоточных систем водоснабжения: 

Q < (0,005 + 0,010) d2,                                          (14-2)

где Q - расход воды, м3/ч; d - внутренний диа­метр трубопровода, мм.

           Для системы с циркуляционным контуром: 

         Qрасх/Q цирк ≤ 0.8                                                            (14-3)

где Qрасх - количество воды, отбираемой из системы на потребление, м3/ч ;

          Q цирк - объемный поток воды, циркулирующей в системе, м3/ч.

 15. Стоки электростанций и технологии их обезвреживания

Общие положения

Эксплуатация ТЭС сопряжена с использованием природной воды и образованием жидких отходов, часть из которых после переработки направляется в цикл повторно, но основное количество потребляемой воды
выводится в виде стоков, к которым относятся:

- сбросные воды систем охлаждения;

-шламовые, регенерационные и промывочнве воды водоподготовительных установок и конденсатоочисток;

-сточные воды систем гидрозолоудаления (ГЗУ);

-воды загрязненные нефтепродуктами;

-отработанные растворы после химической очистки станционного оборудования и его консервации;

-воды от обмывки конвективных поверхностей ТЭС, сжигающих мазут;

-воды от гидравлической уборки помещений;

-дождевые и талые воды с территории энергообъекта.

          Составы и количества перечисленных стоков различны. Они зависят от типа и мощности основного оборудования ТЭС, вида используемого топлива, качества исходной воды, способов водоподготовки, совершенства приемов эксплуатации и др. Попадая в водотоки и водоемы, примеси сточных вод могут менять соленой состав, концентрацию кислорода, значение рН, температуру, содержание ГДП и другие показатели воды, затрудняющие процессы самоочищения водоемов и влияющие на жизнеспособность водной среды. Для минимизации влияния примесей сбросных вод на качество поверхностных природных вод для каждого выпуска сточных вод установлены нормативы предельно допустимых сбросов вредных веществ, исходя из условий не превышения предельно допустимых концентраций вредных веществ в контрольном створе водоема.
Для питьевой воды установлены ПДК по сотням вредных химических веществ (САНПиН 2.1.4.559-96), попадающих в воду за счет геохимических процессов, а также характерных для стоков, образующихся в процессах обработки воды и поступающих в источники водоснабжения в результате производственно-хозяйственной деятельности человека. В таблице 15.1 приводятся ПДК вредных веществ, которые могут также содержаться в стоках энергоустановок.

         Для водоемов рыбохозяйственного значения приведенные данные могут быть более жесткими, например ПДК по нефтепродуктам для таких водоемов должно быть равным 0,05 мг/дм3.

         Перечисленные типы сточных вод ТЭС подразделяются на две группы:

        -первая группа стоков - к ним относятся стоки СОО, ВПУ, и ГЗУ ТЭС характеризуется либо большими объемами, либо повышенными контрациями вредных веществ, которые могут влиять на качество воды водных объектов. Поэтому эти стоки обязательно подлежат контролю  смотри таблицу 15.2

         Остальные шесть типов сбросных вод ТЭС необходимо использовать повторно после очистки в пределах ТЭС или по договоренности на других предприятиях, либо допускается их закачка в подземные пласты и т.п.

         В качестве меры для экономии водопотребления на ТЭС, ограничения сброса сточных вод и защиты от загрязнения, засоления и истощения всех водных объектов законодательно введена плата за забор и сброс воды, хранение и вывоз твердых отходов. [2]

 

Таблица 15.1-Дополнительные нормативы ПДК вредных химических веществ, мг/дм3      

 

        Показатель

ПДК

Показатель

ПДК

Бензол

0.01

ПАВ анионоактивные

0.5

Ванадий

0.1

Пероксид водорода

0.1

Каптакс

5.0

Пиперидин

0.06

Метанол

3.0

Сероводород

0.003

Метилмеркаптан

0.0002

Сероуглерод

1.0

Молибден

0.25

Толуол

0.5

Морфолин

0.04

Фреон 12

10.0

Натрий

200

Фреон 253

0.1

Нитриты

3.0

Четыреххлористый углерод

0.006

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 15.2–Примерный перечень контролируемых показателей качества сточных вод ТЭС

Показатель

СОО с градирнями

ВПУ

ГЗУ

Взвешенные вещества

+

+

+

Водородный показатель рН

+

+

+

Биологическое потребление кислорода

-

-

+

Солесодержание

+

+

+

Хлориды1

+

+

+

Сульфаты

+

+

+

Нефтепродукты

+

+

+

Кальций

-

-

+

Железо1

-

+

+

Алюминий1

-

+

+

Медь

                  +

-

-

        1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контролируется в зависимости от применяемого реагента       

                   15.1 Сточные воды систем охлаждения

          Сточные воды прямоточных систем охлаждения, сбрасываемые после конденсаторов турбин, газо-, воздухо-, маслоохладителей и других теплообменных аппаратов, только нагревающие воду природных источников, но не загрязняющие ее химическими или механическими примесями, не требуют очистки. Температура сбрасываемой воды в таких системах обычно превышает температуру водоисточника на 8—10 °С, вызывая его тепловое загрязнение. При расчете сбросов подогретой воды необходимо учитывать, что расчетная летняя температура водных объектов питьевого и культурного назначений не должна повышаться более чем на З ОС зимняя — более чем на 5 °С. Для обеспечения требуемого уровня температуры воды применяют:

          - глубинные водозаборы и поверхностные выпуски;

          - брызгальные устройства над акваторией отводящих каналов;

          - увеличение кратности охлаждения конденсаторов в зимний период;

          - эжектирующие водовыпуски.

          В СОО с градирнями продувочные воды являются не только подогретыми, но и характеризуются повышенным солесодержанием.

          Коэффициент концентрирования в таких системах подсчитывается как:

Kk  = 1 + Qисп / Qпрод + Qун ,                (15-1)

     где Qисп’ Qпрод’ Qун — количества соответственно испаряющейся воды, продувочной воды и капельного уноса.

          Исходя из уравнения 15-1, сокращение величин продувки и капельного уноса приводят к увеличению kk и росту солесодержания в системе охлаждения. При использовании маломинерализованных добавочных вод в СОО ее продувочные воды могут быть востребованыи в других водоиспользующих системах ТЭС. Так, нормативными документами рекомендуется направлять продувку СОО для использования в ВПУ в том случае, если коэффициент концентрирования в градирнях не превышает 1,5 при солесодержании исходной воды менее 500 мг/дм3 и не превышает 1,2 при солесодержании более 500 мг/дм3.

          Примером комбинированной работы СОО и ВПУ ТЭЦ, рассчитанной на приготовление большого количества подпиточной воды для закрытой системы теплоснабжения, может служить схема, приведенная на рисунке 15.1. Согласно схеме, например, в режиме наибольшей зимней нагрузки максимальное значение подпитки теплосети (ПТС) определяет максимальную продувку СОО и соответственно снижение коэффициента концентрирования (задвижка б закрыта, задвижки 7, 8 открыты). В летний период при уменьшении расхода воды на подпитку теплосети освобождающаяся мощность ВПУ ПТС используется для умягчения части подпиточной воды СОО (задвижка 6 открыта), что снижает опасность нарушения водно-химического режима системы охлаждения.

 

 

 

 

 

 

          Рисунок 15.1 – Комбинированная схема работы СОО и ВПУ ТЭЦ с  закрытой системой теплоснабжения: 1-градирня; 2-конденсатор; 3-осветлитель; 4-осветлительный фильтр; 5-Nа-катионитовый фильтр; 6,7,8-задвижки   

          15.2 Сточные воды водоподготовительных установок

          Эксплуатация ВПУ связана с потреблением больших количеств извести, коагулянта, регенерантов (Н2S04, NaОН, NaСl). Стоки предочистки содержат шлам различного состава, определяемого ее типом. Основная часть регенерирующих веществ переходит в сточные регенерационные воды и является потенциальным источником загрязнения природных водных объектов (таблица 15.1). Количественные характеристики сбросных вод ВПУ определяются при проведении технологических расчетов. Сброс вод, содержащих такие загрязнения, даже после взаимной нейтрализации кислых и щелочных стоков обессоливающих установок (рисунок 15.2) разрешается в таких редких случаях, когда естественный водоем имеет мощный дебит, способный разбавлять вредные химические вещества до значений их ПДК. Совершенствование экономичных и экологичных схем ВПУ в настоящее время ведется в следующих направлениях:  

  -противоточных фильтров в схемах ВПУ;

  -использование мембранных технологий;

  -изменение внутренних взаимосвязей различных узлов технологических схем и применение оборудования, позволяющего снизить расходы реагентов и воды на собственные нужды, извлекать из сточных вод ценные компоненты, т.е. создавать малоотходные схемы ВПУ. /Лит.2/

 

  

Рисунок 15.2- Схема нейтрализации сточных вод обессоливающих установок:1-Н-катионитовые фильтры; 2-анионитовые фильтры; 3-мешалка известкового молока; 4;7-перекачивающие насосы; 5-насос-возатор;6-промежуточный бак для сбора регенерационных вод; 8-бак-нейтрализатор;9-насос перемешивания и сброса; 10-охлаждающая вода

           Таблица 15.3-Характеристики основных солевых стоков ионитных ВПУ

Схема обработки воды

Общая жосткость, мг-экв/дм3

Концентрация, г/дм3

Солесодержание

Хлориды

Сульфаты

Nа-катионирование

58-160

9.9-14.6

6.0-8.1

Исходная

Н-катионирование с «голодной» регенерацией

40-64

3.3-4.7

Исходная

1.75-3.0

Химическое обессоливание по схеме «цепочки»

15.6-19.0

3.2-4.5

0.1-0.4

1.8-2.2

            15.3 Стоки, загрязненные нефтепродуктами             

Недостаточно очищенные нефтесодержащие сточные воды, попадая в водоемы, образуют пленку на поверхности воды, ухудшая условия аэрании, а тяжелые нефтепродукты, оседая на дно, губительно действуют на водную флору и фауну. Поэтому на нефтепродукты установлены очень жесткие ПДК, так как они являются слабо окисляющимися веществами. Согласно действующим нормативам нефтесодержащие стоки ТЭС должны очищаться и повторно использоваться в качестве исходных вод для ВПУ, СОО и других систем, а уловленные нефтепродукты — сжигаться в котлах Очистка вод от нефтепродуктов осуществляется комплексным сочетанием методов (рисунок 15.3), позволяющим обеспечить остаточноенефтесодержание на уровне 0,5—1,0 мг/дм3 Среди многочисленных элементов комплексной схемы очистки от нефтепродуктов ранее не были рассмотрены принципы действия нефтеловушек и флотаторов. В основу нефтеловушки (рисунок 15.4) положен принцип отстаивания, реализуемый за счет разности плотностей воды и нефтепродуктов. Сточная вода подается в приемную камеру и, пройдя под полупогруженной перегородкой, попадает в отстойную камеру, где и происходит процесс разделения эмульсии. Очищенная вода, пройдя под второй полупогруженной перегородкой, выводится из нефтеловушки, а частицы нефтепродуктов, всплывающие на поверхность воды, образуют пленку, которая перемещается специальным движущимся скребковым устройством к нефтесборным щелевым трубам. При отстаивании всплытие капель нефтепродуктов происходит медленно — со скоростью порядка долей миллиметра в секунду. Флотационная очистка воды заключается в образовании комплексов, состоящих из частиц нефтепродуктов и пузырьков воздуха, которыми предварительно насыщают обрабатываемую воду, реализуя принцип напорной флотации. При этом скорость всплытия комплекса превышает на два-три порядка скорость всплытия капли масла. При напорной флотации (рисунок 15.5) воздух растворяется в воде под избыточным давлением до 0,5 МПа, для чего он подается в трубопровод перед насосом (обычно с помощью эжектора), а затем водовоздушная смесь в течение 8—1О мин находится в специальной напорной емкости, откуда направляется во флотатор. Во флотаторе происходит снижение давления, образование пузырьков воздуха и собственно флотационный процесс разделения воды и примеси. На ТЭС используются горизонтальные многокамерные и радиальные флотаторы, в которые для повышения эффективности очистки может вводиться раствор коагулянта. При небольших концентрациях нефтепродуктов, составляющих около 10-20мг/дм3 , в комплексной схеме очистки могут отсутствовать некоторые элементы, например,крупногабаритные нефтеловушка и флотатор.[2]

 

 

 

 

 

 

 

             Рисунок 15.3-Схема очистки вод, загрязненных нецтепродуктами:

1-трубопровод замазученных и замасленных вод; 2-приемный бак отстойник; 3-нефтеловушка; 4-промежуточный резервуар; 5-эжектор насыщения воды воздухом; 6-насос; 7-напорный бак; 8-флотатор; 9-промежуточный резервуар; 10-ячейка коагулянта; 11-насос для перекачки коагулянта; 12-осветлительный фильтр коагулянта; 13-бак-мерник коагулянта; 14-насос дозатор коагулянта; 15-насос для подачи воды на фильтр; 16-двухслойный осветлительный фильтр; 17-фильтр с загрузкой активированного угля; 18-резервуар очищенной воды; 20-емкость для сбора осадка; 21-емкость для сбора уловленных нефтепродуктов; 22-насос для подачи уловленных нефтепродуктов на сжигание; 23-насос для подачи осадка в накопители; 24-трубопровод очищенной воды на повторное использование; 25-трубопровод сбора промывочных вод фильтров; 26-трубопровод промывки фильтрующих материалов

             Рисунок 15.4 - Схема нефтеловушки:

1-сточная вода; 2-приемная камера; 3-отстойная зона; 4-очищенная вода; 5-вертикальные полупогружные перегородки; 6-нефтесборные щелевые трубы; 7-пленка всплывших нефтепродуктов

          Рисунок 15-5 – Схема установки для напорной флотации:

1-вход воды; 2-приемный резервуар; 3-всасывающая труба; 4-воздухопровод; 5-насос; 6- флотационная камера; 7- пеносборник; 8- отвод очищенной воды; 9-напорная емкость

 

          15.4 Стоки от химических очисток и консервации  оборудования

Химическая очистка котлов и другого теплоэнергетического оборудования производится с помощью растворов неорганических (соляная, серная) и органических (лимонная, щавелевая, фталиевая и др.) кислот, содержащих различные ингибиторы, а также комгтлексонов (трилон Б и др.), композий на основе комплексонов и с применением поверхностно-активных веществ (октадециламин и др.), используемых в концентрациях 1—50 г/дм3. При пассивации и консернации оборудования могут быть использованы аммиак, гидразин, октадециламин, трилон Б и др. Отработанные растворы, помимо основных веществ, содержат также соли и оксиды железа, меди, цинка, ноны кальция, магния и другие компоненты. Из этого перечня видно, что состав сбросных растворов весьма сложный, они содержат вредные химические вещества, что не допускает их сброса в природные водоемы.

 

  Рисунок 15.6 – Принципиальная схема нейтрализации и обезвреживания вод от химических очисток оборудования:

1-сброс отработанных растворов; 2-бак нейтрализатор; 3-насос рециркуляции;4-подача сжатого воздуха; 5-мешалка; 6-насос подачи окислителя; 7-ввод реагентов; 8-насос перекачки; 9-сброс обезвреженных и нейтрализованных вод; 10-накопитель-отстойник отработанных вод

 

Технология очистки вод такого типа предусматривает их реагентную нейтрализацию, использование окислителей, бассейна-отстойника для осаждения оксидов и гидроксидов тяжелых металлов (рисунок 15.6). Заканчивается обезвреживание стоков биохимическим разрушением остаточных органических соединений. В последние годы успешно реализована попытка отказа от применения химических реагентов при очистках и консервации теплоэнергетического оборудования путем использования пароводокислородного метода очистки и пассивации. [2]

 

 15.5 Обмывочные воды регенеративных воздухоподогревателей мазутных котлов

При сжигании в котлах сернистых мазутов на хвостовых поверхностях нагрева оседает зола, содержащая сульфаты ванадия, железа, никеля и меди.    При обмывке регенеративных воздухоподогревателей (РВП) эти соединения переходят в раствор, в составе которого имеется также свободная серная кислота с концентрацией около 0,5 %. Для нейтрализации обмывочных вод РВП и извлечения ванадийсодержащего шлама разработана технология, схема и оборудование которой приведены на рисунке 15.7. В баке-нейтрализаторе 6 собранные воды подвергаются последовательной двухстадийной нейтрализации.

На первой стадии нейтрализации обмывочных вод используется щелочь для создания рН = 4,5—5,5. При таком рН ванадий в виде пятивалентного оксида и гидроксид трехвалентного железа выпадают в осадок, а ионы меди и никеля остаются в растворе. Раствор с осад- ком У205 отфильтровывается на фильтр-прессе. Фильтрат возвращается в бак-нейтрализатор для проведения второй стадии нейтрализации, а обезвоженный осадок из фильтра 8 попадает в бункер-накопитель, затем в мешок на конвейере, далее мешок зашивается и отгружается на металлургические заводы для извлечения ценного ванадиевого сырья. Использование традиционного нейтрализующего вещества Са(ОН)2 на первый стадии привело бы к тому, что ванадиевый осадок, содержащийся в небольших количествах, был бы сильно загрязнен гипсом СаО4 2Н20, что затруднило бы выделение ванадия при переработке шлама на металлургических предприятиях.

На второй стадии нейтрализации в бак добавляют известковое молоко и значение рН повышают до 9,5—10. На этом этапе нейтрализации в осадок выпадают гидроксиды никеля, меди, двухвалентного железа и сульфат кальция, это осадок отделяется от раствора при фильтровании. Осветленная вода повторно используется для обмывки конвективных поверхностей нагрева, причем повышенное значение рН обмывочной воды способствует уменьшению коррозии тракта. Маловодный шлам после фильтра подвергается утилизации. [2]

  

           Рисунок 15.7 – Схема обезвреживания обмывочных вод РВП:

1-бак сбора очищенных обмывочных вод; 2,7- насосы; 3-РВП или конвективные поверхности нагрева котла; 4-подземный бак для сбора обмывочных вод; 5-погружной насос; 6-бак-нейтрализатор; 8-фильтр-пресс; 9-бункер-накопитель осадка; 10-мешок со шламом; 11-конвейер; 12-мешкозашивочная машина

 

           16. Схемы и установки  спецводоочистки  на  АЭС

 

           16.1 Структура установок спецводоочистки

При эксплуатации АЭС СВО играют одну из центральных ролей в обеспечении ее безопасной работы, поэтому являются необходимой составляющей в комплексе оборудования АЭС. Спецводоочистка защищает реакторное оборудование от образования отложений, снижает интенсивность коррозии реакторных материалов, определяя тем самым надежность и эконо­мичность работы оборудования АЭС.

 Оборудование спецводоочисток характеризуется конструк­тивными особенностями, связанными с радиоактивностью обрабатываемой среды, требованием повышенной надежности, компактностью. Условия его эксплуатации должны предусматривать максимальную возможность механизации и автоматизации, с тем, чтобы до минимума снизить воздействие радиоактивного излучения на обслуживающий АЭС персонал.

Специфика производства электроэнергии на различных АЭС с использованием ядерного топлива обусловливает нормирование концентраций радионуклидов в ее стоках на уровне, близком к естественному фону, а также организацию замкнутых контуров для охлаждения и других технологических нужд. При этом ограничение жидких сбросов требует максимального повторного исполь­зования вод после их соответствующей переработки на установках спецводоочистки. При очистке как контурных, так и сточных вод возникают концентрированные радиоактивные отходы, подлежа­щие выдержке в хранилищах, сооружаемых на территории АЭС. После длительного хранения отходов их активность снижается за счет естественного распада, поэтому их можно повторно перераба­тывать, уменьшая объем выдерживаемых концентратов.

 

 

Рисунок.16.1-Структурная схема спецводоочисток блока АЭС с реактором РБМК-1000:

 

1 — бассеин-барботер; 2 — охладитель продувки; 3 — ГЦН; 4 — барабан-сепаратор; 5 — СВО-1; 6 —СВО-7; 7 — СВО-3; 8 — бак опорожнения КМПЦ; 9 — СВО-5; 10 — бак ПНР; 11 — бак регенерационных растворов; 12 — бак вод взрыхления,; 13 — СВО-6; 14 — бак трапных вол. 15 - СВО-4; 16— конденсатоочистка; 17 — бак чистого конденсата; 18 — деаэратор; 19 — ПЭН;20 — СВО-2; 21 — бассейн выдержки; 23 — СВО-13: - - - чистый конденсат; П — промывоч­ная вода;  — дренажные воды; Р — регенерационные растворы

 

Взаимосвязи СВО различного назначения можно проследить на примере структурной схемы блока АЭС с реактором РБМК-1000 (рисунок 16.1). Вода КМПЦ после охлаждения направляется для очист­ки на СВО-1, а очищенная — возвращается в контур, смешиваясь с питательной водой. Поскольку СВО-1 включена на байпасе ГЦН, также называют байпасной либо внутриконтурной. Для обеспе­чения нормального водно-химического режима соответствующих контуров предназначены очистные установки 20, 7 и 22 (последняя не включена в классификацию спецводоочисток). Для исключения выброса радиоактивных веществ в атмосферу используют установ­ку 22 (СВО-13), которую вводят в действие во время редких пе­реходных и аварийных режимов.

Загрязненные воды (протечки, воды регенерации, дезактивацнонные стоки и др.) сливаются по спецканалнзации в приемные баки трапных вод 14, откуда поступают для переработки в уста­новку 15 (СВО-4) н далее — в бак чистого конденсата 17 (подпиточная вода). Организованные протечки перерабатываются на установке 9 (СВО-5), после чего направляются в бак вод планово-предупредительного ремонта 10 (ППР) и через деаэрационную ус­тановку 18 возвращаются в контур. Воды взрыхления фильтрую­щих материалов конденсатоочистки, гидроперегрузок и последние порции отмывочных вод ионитных фильтров после очистки повторно используют в установке 13 (СВО-6). Поток конденсата турбин на АЭС с реактором РБМК очищается на конденсатоочистке 16.

 

Рисунок 16.2 - Структурная схема водоочисток блока АЭС с ВБЭР-1000:

1 — охладитель организованных проточек первого контура. 2 — дроссельное устройство. 3 — СВО-1, 4. 7 — охладители продувочной воды первого контура и парогенератора. 5 — бак ор­ганизованных протечек. 6 — бак регенерацонных растворов. 7 — СВО-5. 9 — бак очищенной воды. 10 — бак боросодержашей воды, 11 — СВО-3, 12 — СВО-6. 13 — бак трапных вод, 14 — бак воды спецпрачечной. 15 — СВО-7. 16 — контрольный бак, 17 - бак очищенного борного концентрата, 18 — бак чистого конденсата. 19 — бак аварийного запаса бора. 20 — СВО-4. 21 — бассейн выдержки. 22 — ПЭН. 23 — деаэратор второго контура, 24 — деаэратор подпит­ки первого контура, 25 — СВО-2. 26 — подпиточный насос: - - - чистый конденсат. Р— регенерационные растворы. Б — борсодержащая вода и концентрат

          Замкнутые контуры для переработки организованных и неорга­низованных протечек применяют на АЭС с реактором ВВЭР, струк­турная схема спецводоочистки которой приведена на рисунке. 11.2 Установка 3 (СВО-1) на АЭС этого типа также включена на бай­пасе ГЦН 3. Организованные протечки первого контура и некото­рое количество охлажденной реакторной воды для вывода из нее борной кислоты очищают в установке 25 (СВО-2). Для очистки дезактивационных и обмывочных вод, неорганизованных протечек первого контура н вод собственных нужд фильтров предназначена установка 11 (СВО-3), а для очистки воды бассейнов выдержки 27 и баков аварийного запаса бора 19 установка 20 (СВО-4). Продувочную воду парогенераторов, прошедшую расширитель и охладитель продувки 7, очищают в установке 3 (СВО-5). Очи­щенная вода собирается в баке чистого конденсата 18, откуда перекачивается в деаэратор второго контура 23.

Концентрат выпарных аппаратов СВО-3, содержащий загряз­ненный борный концентрат, проходит очистку на ионообменной установке 12 (СВО-6), после чего накапливается в баках и номере необходимости подается на всас подпиточного насоса 26 первого контура. Сбросные воды спецпрачечных собираются в приемном баке 14 и перерабатываются в установке 15 (СВО-7), после чего направ­ляются в контрольные баки 16 для анализа: качественная вода перекачивается в бак чистого конденсата 18, некачественная—в бак трапных вод 13. При повышенной нагрузке в СВО-3 часть трап­ных вод может перекачиваться также в СВО-7. При регенерации ионитных фильтров СВО (кроме фильтров СВО-1) используют ба­ки регенерационных растворов 6 (на схеме показан один из них). На конденсатоочистке АЭС с реактором ВВЭР обрабатывают ус­ловно чистый конденсат, но ее регенерационные растворы собирают в баки, после контроля активности сбрасывают для нейтрализации либо активные стоки перекачивают в бак трапных вод. Конденсатоочистка и оборудование второго контура на схеме не показаны. Исходными для СВО (см. рисунок 16.1, 16.2) могут быть как малосо­левые воды, так и достаточно концентрированные растворы, что во многом определяет выбор технологии их переработки.[15]

 

           16.2 Системы очистки малосолевых вод на АЭС с реакторами РБМК

          Для поддержания заданного водно-химического режима реак­торных контуров необходимо вывести загрязняющие примеси, т. е. очистить определенную часть реакторной воды, называемой проду­вочной водой (продувкой). Количество продувки рассчитывают по количеству поступающих в контур примесей (продукты коррозии, хлорид-ионы, соединения Са. Мg, Na).

На АЭС с реакторами РБМК продувка составляет около 4% паропроизводительности реактора. Для реактора мощностью 1000 МВт (Qп =5500 т/ч) расход продувочной воды составляет 200 т/ч. В технологической схеме СВО-1 для очистки продувочной воды от взвешенных и ионизированных примесей используют ме­ханические и ионообменные фильтры. Поскольку ионообменные материалы не достаточно термостойки, для снижения температуры воды до 40 — 50°С применяют специальные охладители. Очищен­ная вода возвращается в КМПЦ через регенеративный теплооб­менник.

 

 

Рисунок 16.3- Схема СВО-1 на АЭС с реактором РБМК:

.1— трубопровод для деактивационных растворов, 2 — трубопровод для сжа­того воздуха, 3 — трубопровод для промывочной воды, 4 — трубопровод для пневмогидровыгруэкн истощенного фильтрующего материала. 5 — механиче­ский фильтр. 6 — трубопровод для обрабатываемой воды. 7 — трубопровод сдувки. 8 — трубопровод для ионообменных смол. 9 — трубопровод для очи­щенной воды. 10 — трубопровод для выхода воды в спецканализацию. 11 — фильтр-ловушка. 12 — фильтр смешанного действия

Схема СВО-1 состоит из трех фильтров АФИ-2,4-9,0, эксплу­атируемых под полным давлением контура (рисунок 16.3). Сначала про­дувочную воду подают в механический катионитный фильтр 5, очи­щающий ее преимущественно от продуктов коррозии. Далее вода поступает в ФСД 12, которые включаются как последовательно, так и параллельно или работают поочередно. При этом обеспечи­вается коэффициент очистки от продуктов коррозии 2—3, от раст­воренных примесей — не менее 10 и от радионуклидов 10—100. За фильтром смешанного действия установлен фильтр-ловушка 11, предотвращающий вынос фильтрующих материалов в контур при поломке нижней дренажной системы.

Ионообменные материалы в фильтрах СВО-1 используют одно­кратно, без регенераций, поэтому в технологической схеме преду­смотрены трассы для удаления материалов из фильтров на захо­ронение и замены их новыми смолами ядерного класса, а также подвод дезактивационных растворов 1 к фильтрам для их пред ремонтной дезактивации. Для нормальных условий эксплуатации на один объем ионитов приходится около 80 тыс. объемов воды. После этого иониты заменяют.

На некоторых АЭС с реакторами РБМК очистку контурных вод от взвешенных примесей производят в намывных перлитных фильтрах (рисунок 16.4), установленных перед ионообменными фильт­рами 3. Фильтр-ловушка на схеме не показан. Фильтрующая по­верхность намывных фильтров составляет 25 м2, скорость фильтрова­ния — 4 м/ч, что определяет производительность 100 т/ч одного намывного фильтра. Намыв фильтроперлита на патроны произво­дится по замкнутому контуру 10, 11, 2 с расходом воды 60 м3/ч в течение 20 — 30 мин.

Рисунок 16.4 - Схема очистки вод на намывных н ионообменных фильтрах:

1 — трубопровод для неполной воды. 2, 3 —намывные н ионообменные фильтры, 4 — трубо­провод сдувки. 5 — трубопровод для сжатого воздуха, 6 — трубопровод для очищенной во­ды, 7 — трубопровод для слива. 8, 9 — трубопровод для подачи воды, фильтрующего порош­ка в бак намыва. 10 — бак намыва. 11, 14— насосы намыва и подпитки фнльтропорошка. 11 — насос перекачки пульпы в хранилище. 13 — бак приема отработанной пульпы. 15 — баки-мешалки намыва н подпитки фильтропорошка

Фильтр отключается при насыщении фильтроперлита продуктами коррозии и увеличении перепада давления от 0,05 до 0,4 МПа.

К малосолевым на АЭС с реактором РБМК относятся также воды контура СУЗ, бассейнов выдержки н перегрузки тепловыде­ляющих сборок, организованные протечки из систем турбоуста-новкк, воды взрыхления и последние порции отмывочных вод регулируемых фильтров, установленных в системах СВО и блочной конденсатоочистки. Для поддержания качества этих вод применя­ют установки СВО-3, СВО-2, СВО-5 и СВО-6, в которых предус­матриваются их осветление, обессоливание и дезактивация в на­мывных, ионообменных фильтрах и фильтрах-ловушках.

Количество и виды ионообменных фильтров в установках СВО-2, СВО-5. СВО-6 определяются качеством исходной воды, требованиями к очищенной воде и возможностью эксплуатации фильтров с регенерацией. [15]

 

         16.3 Ионообменная технология спецюдоочисток на АЭС с реакторами ВВЭР

Система очистки продувочной воды первого контура одновре­менно регулирует содержание борной кислоты, Са, NH4, рН н других состоит из постоянно работа­ющей установки и периодически работающей СВО-2 (на реакторе ВВЭР- 1000).

Рисунок 16.5-  Схема  СВО-2 для  реактора ВВЭР-1000:

1-реактор; 2- парогенератор; 3 – ГЦН; 4- система уплотнения вала ГЦН; 5- регенеративный теплообменник; 6- дроссельное устройство для воды; 7 — доохладитель; 8 — Н-катионитный; 9- NH4- К- катионнтный  фильтр; 10- ОН-анионнтный фильтр; 11-механнческий фильтр; 12—подпиточные  насосы; 13 - бак подпиточной воды

Фильтры СВО-1 эксплуатиру­ют под полным давлением конту­ра. Для реактора ВВЭР-440 их производительность равна 30, а для ВВЭР-1000— 60 т/ч. В фильт­ры загружают смесь катионита КУ-2-8чс и анионита АВ-17-8чс в соотношении 1 : 1. В процессе экс­плуатации ионнты в ФСД перехо­дят в калиево-аммиачно-боратную форму, удаляя из воды ионы С1, Са, Мg, а также большинство ра­дионуклидов, за исключением 137Сs. Кроме того, фильтры СВО-1 можно загружать высокотемпера­турным сорбентом, изготовленным из оксидов тяжелых металлов (ти­тана, олова) или гранулированного графита, обладающие высокой прочностью и стойкостью при температуре воды до 350°С.

Ионообменные и механические фильтры высокого давления не способны удалять из реакторной воды борную кислоту и изотопы цезия и снижать концентрацию   газообразных   продуктов деления ядерного топлива (ксенонов, криптонов и др.). Поэтому парал­лельно с постоянной очисткой воды контура на таких фильтрах предусматривают периодическое включение установки низкого дав­ления СВО-2, состоящей из двух ниток, в которой ионообменные Н, NH4, К и ОН-фильтры (8, 9 и 10) периодически регенерируют (рисунок 16.5).

          Для  выведения  радионуклидов  цезия,  накопленных в результате негерметичности ТВЭЛов, включает Н-катионитный фильтр, для выведения борной кислоты концентрацией менее 1 г/кг из контура — ОН-фильтр, для регулирования концентрации корректи­рующих щелочных добавок в контуре — фильтр с катионитом в смешанной NH4-К-форме.

Установки СВО-4 и СВО-5 производительностью 30 — 40 м3 состоят из последовательно включенных механических и ионнообменных фильтров и фильтра-ловушки. Установку СВО-4, работа­ющую периодически, загружают активированным углем, регенери­руемыми Н-катионитом и анионитом в боратной форме. Очищен­ную воду направляют в бассейны выдержки или в бак аварийного запаса борной кислоты. После окончания срока службы отрабо­танные сорбенты из фильтров перегружают в емкость хранения сорбентов хранилища жидких отходов.

Установка СВО-5, на которую поступает охлажденная до 40°С вода парогенераторов, состоит из двух ниток фильтров, загружен­ных нерегенерируемым катионитом (механический фильтр), и ре­генерируемыми Н-катноннтом н ОН-анноннтом. Регенерационные растворы, содержащие радионуклиды, сбрасывают в баки трапных вод на переработку. Коэффициент очистки воды парогенераторов на СВО-5 10— 102. Диаметры и высоту слоя фильтров СВО выби­рают в зависимости от скорости фильтрования (20 — 40 м/ч), емкостей катионита и анионита (600 и 300 г-экв/м3). [15]

Список литературы 

1.     Водоподготовка.: Справочник./Под ред. д.т.н., действительного члена Академии промышленной экологии С.Е. Беликова/ М.: Аква-Терм, 2007.-240 с.

2.     Копылов А.С., Лавыгин В,М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике: Учебное пособие для  вузов.-М.: Издательство МЭИ, 2003.-310 с.: ил.

3.     Громогласов А.А., Копылов А.С., ПильщиковА.П. Водоподготовка: Процессы и аппараты – М.:энергоатомиздат, 1990-272с.

4.     Лившиц О.В.  Справочник по водоподготовке котельных установок – М.:Энергия, 1977-288 с.

5.     Стерман  Л.С., Покровский В.Н. Физические и химические методы обработки воды на ТЭС – М.: Энергоатомиздат, 1991-328 с.

6.     Методические указания по проектированию ТЭС  с максимально сокращенными стоками , М.: Минэнерго СССР,1991.

7.      Руководство по проектированию обработки и очистки производственных вод тепловых электростанций. М.: Теплоэлектропроект,1976.

8.     Громогласов А.А, Копылов А.С., Пильщиков А.П. Водоподготовка: Процессы и аппараты: Учебное пособие для вузов/ Под.ред. О.И. Мартыновой. М.: Энергоатомиздат, 1990.

9.     Стерман Л.С., Покровский В.Н. Физические и химические методы обработки воды на ТЭС: Учебник для вузов. М.: 1991.

10.  Кишневский В.А. Современные методы обработки воды в энергетике:      Учебное пособие для вузов. Одесса: ОГНУ, 1999.

11.  Кострикин Ю.М., Мещерский Н.А., Коровина О.В. Водоподгодготовка и    водный режим энергоблоков низкого и среднего давлений: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1990.

12.  Мещерский Н.А. Эксплуатация водоподготовительных установок высокого давления.М.:Энергоатмиздат , 1984.

13.  Повышение экологической безопасности тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов /А.И. Абрамов, Д.П. Елизаров, А.Н. Ремезов и др.; Под ред. А.С. Седлова. М.: Издательство МЭИ, 2001.

14.  Водоподготовка. Процессы и аппараты / Под ред. О.Мартыновой – М.:Атомиздат, 1997 – 352с.

15.  Копылов А.С., Верховский Е.И. Спецводоочистка на атомных электростанциях: Учеб. Пособ. Для СПТУ. - М.: Высшая школа, 1988.-208с.: ил.

16.  А.А.Кастальский., Проектирование установок для химического обессоливания воды. М.: Госстройиздат, 1964.

  Содержание 

Предисловие……………………………………………………………….……3

Глава 1. Технологические схемы     КЭС, ТЭЦ, АЭС………………………4

   1.1 Типичные схемы обращения воды в циклах ТЭЦ и КЭС…………....….4

   1.2 Технологические системы первого контура АЭС с реакторами ВВЭР….6

   1.3  Тепловые схемы АЭС с реакторами РБМК, ВВЭР и БН…………….…7

Глава 2. Методы водоподготовки……………………………………………..10

2.1   Оборудование предочистки с осветлителями и их эксплуатация…….10

2.2   Эксплуатация установок с осветлителями. ………………………….15

2.3   Оборудование для складирования, приготовления растворов и дозирования реагентов, используемых в процессе предочистки…….17

2.4   Коагулянтное хозяйство……………………………………………….18

2.5   Оборудование известкового хозяйства и его обслуживание……….….19

Глава 3 Технология осветления воды на насыпных фильтрах………….……20

   3.1  Классификация фильтров с зернистой загрузкой…………………….20

   3.2  Скорость фильтрования……………………………………………….…20

   3.3  Условия применения…………………………………………………....22

   3.4  Конструкции фильтров…………………………………………………22

   3.5  Очистка конденсатов электромагнитными фильтрами………………...26

   3.6  Очистка конденсатов на намывных фильтрах…………………………..27

   3.7  Натрий-катионирование………………………………………………..29

   3.7.1  Критерии применимости метода ………………………………………….29

   3.7.2  Карбонатная жесткость исходной воды…………………………… 29

   3.7.3  Количество и качество сточных вод………………………………...30

   3.7.4  Допустимое качество исходной воды…………………………….…30

   3.7.5  Объем катионита фильтре……………………………………………………………… ..30

   3.7.6  Расход хлорида натрия для регенерации катионита…………………..32

   3.7.7  Качество воды после натрий-катионирования ……………………......32

   3.7.8 Водород-катионирование с «голодной» регенерацией карбоксильных катионитов……...33

   3.7.9  Фильтрующие материалы и регенеранты……………………………...34

Глава 4. Декарбонизация воды…………………………………………….....35

   4.1  Применение метода…………………………………………………......35

   4.2  Расчетные параметры…………………………………………….35

Глава 5. Деминерализация воды ионированием. …………………………......40

   5.1  Условия применения метода…………………………………………...40

   5.2  Особенности ионообменной технологии……………………………...41

   5.3  Противоточное фильтрование………………………………………….42

   5.4  Технология Швебебет…………………………………………………..    42

 5.5  Технология Лифтбет………………………………………………………44

    5.6 Технология Ринзебет…………………………………………………....44

    5.7 Технология Мультистеп……………………………………………......44

    5.8  Технология Амберпак…………………………………………………...45

    5.9  Технология АПКОРЕ…………………………………………………...48

    5.10 Особенности цикла регенерации АПКОРЕ…………………………....49

    5.11Сравнительная характеристика противоточной и параллельноточной технологии…….51

Глава 6. Баромембранные  методы водоподготовки………………………….52

    6.1  Состав группы методов…………………………………………….…….52

    6.2  Обратный осмос……………………………………………………….….53

    6.3  Сущность метода……………………………………………………....54

    6.4  Энергетическая гипотеза……………………………………………..….55

    6.5  Капиллярно-фильтрационная (сорбционная) гипотеза……………..56

    6.6  Ультрафильтрация……………………………………………………..56

    6.7  Мембраны…………………………………………………………..…..57

    6.8  Мембранные аппараты и установки……………………………….....58

    6.9  Концентрационная поляризация………………………………………..61

    6.10 Причины изменения характеристик мембран в процессе их эксплуатации……..61

    6.11  Химическая и биологическая деструкция мембран………………..62

    6.12  Загрязнение мембран при их эксплуатации……………………..….63

    6.13  Природа и химический состав загрязнений……………………….….64

    6.14  Способы предотвращения загрязнения мембран…………………..65

    6.15  Восстановление характеристик мембран………………………….…. 64

    6.16  Химические методы……………………………………….………... 64

    6.17  Физико-химические методы………………………………………....65

    6.18  Оценка осветления воды……………………………………………. 68

    6.19  Условия применения обратного осмоса…………………………..…...69

    6.20 Сравнение методов обессоливания (ионный обмен и обратный осмос). ….....69

    6.21  Обратный осмос Преимущества………………....... 69

    6.22  Недостатки баромембранных методов……………………….. 70

    6.23  Ионообменный метод. Преимущества……………………….. 70

    6.24  Недостатки…………………………………………………………....... 70

Глава 7. Обезжелезивание воды……………………………………………….. 70

    7.1  Химизм процессов в воде с участием железа…………………..……... 71

    7.2  Методы обезжелезивания воды……………………………………….....73

    7.3  Аэрация в специальных устройствах……………………..…………….75

    7.4  Метод «сухого» фильтрования……………………………………....….75

    7.5 Введение реагентов-окислителей. Обработка воды хлором и его производным…….. 76

    7.6  Обезжелезивание воды катионированием…………………………....78

Глава 8. Обработка воды озоном…………………………………………......78

    8.1 Фильтрование с применением каталитических загрузок…………....78

    8.2  Озонирование воды…………………………………………………….....80

    8.3  Принцип получения озона……………………………………………......81

    8.4  Обеззараживающее действие озона………………………..…………….81

    8.5  Обесцвечивание воды………………………………………….……....82

    8.6  Удаление из воды железа и марганца…………………………………83

    8.7  Устранение привкусов и запахов воды……………………………….83

    8.8  Особенности озонирования………………………………………………83

Глава 9. Деманганация воды………………………………….………………...84

    9.1  Химизм процесса демаганации………………………………………....84

    9.2  Методы деманганации…………………………………..…………......84

    9.3  Деманганация перманганатом калия……………….…………………....85

    9.4  Каталитическое окисление марганца……………………..…………......85

    9.5  Фильтрование через модифицированную загрузку………………….86

    9.6  Введение реагентов-окислителей…………………………………......86

    9.7  Удаление марганца методом ионного обмена………………………..87

Глава 10.  Ультрафиолетовое обеззараживание воды………………………....87

   10.1  Технология проведения………………………………….…………........87

   10.2  Условия применения метода…………………………………………….88

   10.3  Положительные и отрицательные качества метода…………………...89

   10.4  Источник бактерицидного излучения ……………………………..…...89

   10.5 Сравнение основных методов обеззараживания воды: хлорирование, озонирование, ультрафиолетовое облучение…............91

Глава11.  Электрохимические методы ……………………………………...92

   11.1  Сущность процесса……………………………………………………92

   11.2  Классификация электрохимических методов……………………….93

Глава12.  Электрофлотация…………………………………………………..94

   12.1  Материалы и конструкции электродов………………………………...94

   12.2  Конструкции электродов………………………………………………..96

Глава13.  Электродиализ ……………………………………………………..97

   13.1  Методы организации процесса……………………………………….99

   13.2  Технологические особенности мембран и аппаратов………………99

   13.3  Конструкции и схемы………………………………………………..101

   13.4  Условия применения метода………………………………………...101

   13.5 Основные технологические параметры электрохимических методов….102

   13.6  Электрохимическое обеззараживание воды………………………..103

Глава 14.  Магнитная обработка воды………………………………………...104

   14.1  Технология проведения и условия применения метода…………...104

   14.2  Технологические особенности метода………………………………...105

   14.3  Технология и условия применения…………………………………106

Глава 15.  Стоки электростанций и технологии их обезвреживания……..106

Общие положения

   15.1  Сточные воды систем охлаждения…………………………………..108

   15.2  Сточные воды водоподготовительных установок………………….110

   15.3  Стоки, загрязненные нефтепродуктами……………………………..111

   15.4  Стоки от химических очисток и консервации  оборудования…….113

   15.5 Обмывочные воды регенеративных воздухоподогревателей мазутных котлов…………….114

Глава 16.  Схемы и установки  спецводоочистки  на  АЭС. ………………..115

   16.1  Структура установок спецводоочистки…………………………….115

   16.2  Системы очистки малосолевых вод на АЭС с реакторами РБМК. 118

   16.3 Ионообменная технология спецводоочисток на АЭС с реакторами ВВЭР..………....120

Список литературы …………………………………………….……… ……122

Содержание……………………………………………………………….......123