Малосточная и экологически чистая технология водоподготовки для подпитки теплосетей

ГРОМОВ С.Л., ПАНТЕЛЕЕВ А.А., ФЕДОСЕЕВА Е.Б., УГЛОВ С.А., ЗАО " НПК Медиана - Фильтр "

Энергетик 2005 №3

Одна из задач установок водоподготовки ( ВПУ ) на промышпенно - отопительных котельных — очистка подпиточной воды для теплосетей. Действующими нормативами ( РД 34.37.504-83) установлены определенные требования к качеству воды для подпитки, в частности, регламентированы концентрации в воде растворенного кислорода, свободной углекислоты, взвешенных веществ, масел и нефтепродуктов, значения рН и карбонатного индекса И к.

Карбонатный индекс И к — это предельное значение произведения общей щелочности и кальциевой жесткости воды в ( мггэкв / дм³ )², при превышении которого протекает карбонатное накипеобразование с интенсивностью более 0,1 г /( м² ч ). Нормативные значения И к воды для подпитки тепловых сетей представлены в таблице.

Отклонение от существующих норм приводит к образованию в подогревателях и трубопроводах отложений, накипи и шлама, вызывает коррозию металлических элементов.

Качество подпиточной воды для тепловых сетей помимо общих норм должно удовлетворять еще и санитарным требованиям к питьевой воде ( СаНПиН 2.1.4.1074-01 " Питьевая вода. Гигиениче­ские требования к качеству воды центра­лизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.").

Используемая для подпитки теплосетей вода, как правило, нуждается в коррекционной обработке для понижения карбонатного индекса. Выбор технологической схемы водоподготовки для подпиточной воды определяется качеством исходной воды, допустимым значением карбонатного индекса, рабочей температурой отопительного котла, а также сезонностью работы теплового и водолодготовительного оборудования. До недавнего времени поставленную задачу у нас в стране решали с применением различных схем водоподготовки. К ним относятся, например, следующие :

- известкование ( с коагуляцией ) — механическая фильтрация — корректирующее подкисление для регулирования значения рН ;

- Н - катионирование с " голодной " регенерацией на сульфоугле ( снижение карбонатной жесткости стабилизирует воду и предотвращает выпадение карбоната кальция ) — фильтрация на буферных фильтрах — декарбонизация ;

- Н - катионирование на слабокислотных катионитах ( для снижения карбонатной жесткости );

- Na - катионирование на сильнокислотных катионитах ( умягчение на ионообменной смоле).

К недостаткам перечисленных схем водоподготовки относятся применение химических реагентов, значительное потребление воды на собственные нужды, экологическая нагрузка на окружающую среду.

Установки водоподготовки занимают достаточно большие площади. Фильтры и реагентное хозяйство требуют постоянного обслуживания квалифицированным персоналом. При регенерации ионитов образуются значительные количества сточных вод, отличающихся высокими концентрациями различных солей и содержащих избытки реагентов. Указанные сточные воды влияют на солевой состав местных источников воды, нарушая экологию.

Применение противоточных технологий водоподготовки позволяет снизить расход реагентов в 1,5-2 раза и соответственно расходы воды на собственные нужды, однако не решает проблему со сточными водами кардинально.

Стремление сократить потребление реагентов и не сбрасывать дополнительные соли в окружающую среду дало толчок к внедрению мембранных технологий с использованием установок водоподготовки на основе обратного осмоса ( RO - система ). К сожалению, установки обратного осмоса также не свободны от недостатков : это и дополнительные затраты энергии, обусловленные необходимостью создавать требуемое давление воды, и повышенная коррозионная активность фильтрата, и больший (чем при использовании методов ионообмена ) объем сточных вод, и невозможность без дополнительных затрат энергии адаптировать производительность мембранного блока по фильтрату к колебаниям по нагрузке. Кроме того, в ряде случаев для обеспечения нормальной эксплуатации водоподготовительных установок обратного осмоса требуется дозирование ингибиторов, предотвращающих образование отложений на поверхности мембран, что существенно повышает стоимость подготовленной воды.

Проанализировав сложившуюся на ВПУ ситуацию, мы предлагаем новое решение задачи водоподготовки для подпитки теплосети, позволяющее минимизировать эксплуатационные расходы и сократить объем стоков. Такая технологическая схема водоподготовки ( рис. 1) включает в себя следующие элементы : механический фильтр для очистки воды от взвешенных веществ, мембранный блок на основе нанофильтрации для снижения жесткости воды и Na - катионитные фильтры для последующего доумягчения воды ( при необходимости ). Для обеспечения требуемого качества воды на подпитку теплосети качество получаемого фильтрата можно контролировать как в ручном, так и в автоматическом режиме.

Рис. 1. Принципиальная гидравлическая схема подготовки воды для подпитки теплосети

Нанофильтрация воды занимает промежуточное положение между ультрафильтрацией и обратным осмосом и в классическом варианте характеризуется относительно низкой селективностью по солям с одновалентными ионами и высокой селективностью по солям с двух - и поливалентными ионами. Этим обусловлена возможность ее применения для частичного обессоливания воды, сопровождаемого глубокой очисткой от органических веществ. Срок службы нанофильтрационных элементов обычно составляет от 3 до 6 лет.

Для проверки работоспособности предложенной схемы водоподготовки проведены серии экспериментов по определению влияния давления в нанофипьтрационном модуле на его производительность и селективность по ионам Са²⁺ и Nа⁺, а также для оптимизации гидравлического КПД установки водоподготовки.

Эксперименты ставились на водопроводной воде ( в данном случае из московского водопровода ), которая на сегодняшний день наиболее часто используется в качестве исходной на объектах малой энергетики. Водопроводная вода проходила предварительную обработку на специальном фильтре на основе каталитического материала Birm для удаления растворенного железа и марганца.

На рис. 2 изображена схема экспериментальной установки водоподготовки, состоящей из емкости, микрофильтра с порами размером 5 мкм ( МФ ), насоса и модуля нанофильтрации воды ( NF - система ). Эксперименты проводились на мембранах NF 90, NF 200, NF 270 и XUS производства компании DOW Chemical.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки

Водопроводную воду набирали в емкость, после этого проводили ее анализ ( исходная 1). Затем воду пропускали через микрофильтр и насосом подавали в нанофильтрационный модуль. Фильтрат и концентрат после установки водоподготовки сливали в емкость, где было организовано их интенсивное перемешивание. Через 7-10 мин после включения насоса при установившемся режиме работы измеряли скорости потоков и проводили отбор проб ( исходная 2, фильтрат и концентрат )для анализа.

Также проведена серия экспериментов при работе нанофильтрационной установки на омагниченной воде. Магнит был установлен на трубопроводе перед насосом.

Полученные результаты приведены далее :

Полученные данные свидетельствуют о том, что магнитная обработка воды частично препятствует образованию отложений на поверхности мембраны. При этом она может способствовать растворению уже образовавшихся отложений, повышению концентрационной поляризации и как следствие снижению селективности.

Ранее компанией ЗАО " НПК Медиана - Фильтр " проводилось исследование возможности применения магнитной обработки в оды для защиты мембран обратного осмоса от отложений. Сравнение результатов такой обработки и обработки с ингибиторами отложений показали, что для обратноосмотических систем водоподготовки использование ингибиторов в 3-4 раза эффективнее магнитной обработки. Использование магнитной обработки воды в процессах нанофильтрации дает вполне удовлетворительные резуль­таты, однако исследования в этой области будут продолжаться.

Проведенные эксперименты показали, что установка водоподготовки может работать в условиях, когда значение гидравлического КПД ( отношение потока фильтрата к потоку исходной воды ) достигает 50 - 75 % в широком диапазоне значений рабочего давления и солесодержания исходной воды. Селективность мембран по солям жесткости находилась в пределах 50 - 95 % в зависимости от используемого типа мембраны и гидравлического КПД системы и позволяла обеспечить остаточную жесткость фильтрата от 0,05 до 1 мг - экв / л. Экспериментальные данные зависимости селективности нанофильтрационных мембран от гидравлического КПД представлены на рис. 3 ( тестируемые мембраны по своим характеристикам были разделены на три типа ).

Рис. 3. Зависимость селективности нанофильтрационных мембран от КПД установки для разных типов мембран

Отмечено, что на селективность нанофильтрационных мембран по жесткости практически не влияет исходное давление, что дает возможность эксплуатировать нанофильтрационные установки водоподготовки в сети без насоса.

Поскольку нормативные значения карбонатного индекса для подпиточной воды существенно меняются в зависимости от температуры нагрева, необходимость доумягчения фильтрата возникает только в отопительный сезон. При этом длительность фильтроцикла Na - катионитных фильтров увеличивается приблизительно в 4-10 раз в зависимости от типа мембран и исходного солесодержания, что существенно снижает расход соли и потребление воды на собственные нужды. Важно отметить, что получаемый в резу­льтате разделения на нанофильтрационных мембранах поток концентрата в большинстве случаев по солевому составу соответствует требованиям СаНПиН 2.1.4.1074-01 и может быть возвращен в линию исходной ( холодной ) воды.

Для определения допустимого значения гидравлического КПД в зависимости от солесодержания исходной воды выполнено расчетно - теоретическое и экспериментальное моделирование нанофильтрационных систем водоподготовки в различных условиях эксплуатации ( рис. 4). Предельное значение КПД выбиралось из условия, что солесодержание получаемого концентрата будет соответствовать СаНПиН 2.1.4.1074-01.

Рис. 4. Зависимость предельно допустимого значения КПД установки от солесодержания исходной воды для мембран типов 1 и 2

Из графиков видно, что применение нанофильтрации имеет смысл для обработки вод с солесодержанием до 500 - 600 мг / л, так как в этой области требуемое качество концентрата ( до 1 г / л ) обеспечивается при значениях гидравлического КПД более 50 %.

Обсудим возможность практического применения полученных результатов.

Нагрузки по производительности типичной станции подпитки могут изменяться от 5-20 до 80м³/ ч ( кратковременно в аварийном режиме ). Для создания ресурсосберегающей технологии водоподготовкии снижения экологической нагрузки на окружающую среду можно предложить схему, представленную на рис. 1. При этом концентрат возвращается в сеть городского водопровода. Оценки показывают, что при использовании Na - катионитных фильтров с объемом загрузки ионообменной смолой до 3м³ для частичного доумягчения воды длительность фильтроцикла составляет приблизительно 10-15 сут ( исходная жесткость воды до 3 мг - экв / л ). В этом случае регенерацию катионитов можно было бы проводить централизованно на специальных станциях регенерации, оснащенных установками обработки солевых стоков ( например, методом содоизвесткования с последующим гидромеханическим разделением ).

Таким образом, применение комбинированных схем водоподготовки с использованием нанофильтрационных установок позволяет :

- значительно ( в 5 - 10 раз ) снизить объем сточных води расход реагентов ;

- существенно сократить размеры солевого хозяйства ( вплоть до полного отказа от него );

- в ряде случаев использовать сетевое давление городского водопровода ( без применения повышающего насоса );

- уменьшить число единиц установленного основного оборудования водоподготовки и затраты. на его обслуживание ;

- сократить площади, требуемые для размещения установки водоподготовки.

В результате проведенных исследований появилась возможность осуществлять выбор типа нанофильтрационных мембран и гидравлического КПД установки водоподготовки, основываясь на данных по солесодержанию исходной воды и требуемой степени ее очистки. Внедрение предложенной технологии водоподготовки позволяет с минимальными эксплуатационными затратами решить проблему подготовки воды для подпитки теплосетей, например в г. Москве, без нанесения ущерба окружающей среде.