МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автомобільно-дорожній інститут

Затверджую:

Директор АДІ ДонНТУ

професор Чальцев М.М.

„____”_________2010р.

Конспект лекцій

(на цифровому носії)

з дисципліни "Очищення природних та стічних вод"

для спеціальності 6.07.08.00

“Екологія та охорона навколишнього середовища”

Затверджено Затверджено

на засіданні кафедри на засіданні навчально-

„Екологія та безпека методичної комісії

життєдіяльності” факультету АД

Протокол №___від ______2010р. Протокол №__ від ______.2010р.

_________С.П. Висоцький __________Л.М. Морозова

Горлівка, 2010

Жорсткість води є одним з найважливіших показників, що визначають шляхи використання води в теплоенергетиці. Загальною жорсткістю води Ж_о називається сумарна концентрації іонів кальцію і магнію, що виражається в мг-екв/кг, а при малих значеннях – в мкг-екв/кг. По визначальному катіону загальна жорсткість води поділяється на кальцієву Ж_Са і магнієву Ж_Mg. Частина загальної жорсткості, еквівалентна концентрації бікарбонат-іонів і карбонат-іонів у воді, називається карбонатною жорсткістю Ж_к, а інша частина, еквівалентна іншим аніонам, що містяться у воді (Cl^–, SO₄^2– і ін.), називається некарбонатною жорсткістю Ж_нк:

Загальною лужністю води Л_о, мг-экв/кг, називається сумарна концентрація всіх аніонів слабких кислот і іонів гідроксилу за вирахуванням концентрації іонів водню:

.

(1.1)

Характер аніонів слабких кислот, що обумовлюють загальну лужність, дозволяє підрозділяти її на гідратну лужність (рівну концентрації іонів ОН^–), бікарбонатну (НСО₃^–), карбонатну (СО₃^2–), силікатну (HSiO₃^–, SiO₃^2–) і фосфатну (Н₂РО₄^–, НРО₄^2–, РО₄^3–).

Зазвичай в природних водах бікарбонатна лужність істотно переважає над іншими видами лужності, тому її значення без великої похибки виражає загальну лужність води. Поправка на концентрацію іонів Н⁺ при визначенні лужності вводиться при присутності у воді слабких кислот у вільному стані, оскільки при їх дисоціації утворюються в еквівалентних кількостях аніони слабких кислот і аніони Н⁺ .

Приклад 1. Склад домішок води, мг-екв/кг:

Визначити жорсткість і лужність води.

Перевіримо правильність наданого аналізу:

Загальна|загальна| жорсткість води

Ж_о = Ж_Са + Ж_Mg = 3 + 1 = 4 мг-екв/кг

де Ж_Са = 3 мг-екв/кг; Ж_Mg = 1 мг-екв/кг.

Лужність води

Л_о = Л_к + Л_нк = 3 + 0 = 3 мг-екв/кг

і

Ж_к = Л_к = 3; Ж_нк = Ж_о – Ж_к = 4 – 3 = 1 мг-екв/кг.

Питома електропровідність води, См/см, характеризується електричною провідністю шару води, що знаходиться між двома протилежними гранями куба з ребром, рівним 10^–2 м. Вона побічно пов'язана з сумарною концентрацією домішок в істинно-розчиненому стані (солевмістом). У чистій воді, що не містить домішок, перенесення зарядів здійснюється лише іонами Н⁺ і ОН^–. Питома електропровідність такої води при 293 К складає 0,04 мкСм/см. У розчинах зв'язок між електропровідністю і концентрацією іонних домішок залежить від безлічі чинників, у тому числі від температури, виду іонів, ступеня дисоціації, що істотно утрудняє виміри. Більш певний зв'язок існує в розчинах при постійній температурі і ступені дисоціації.

Концентрація розчинених газів у воді залежить від безлічі чинників: природи газу, температури води, ступеня мінералізації води, парціального тиску газу над водою, рН води і т.п. Це у багатьох випадках істотно утрудняє їх аналітичне визначення в технологічних процесах і вимагає спеціальних методів аналізу. Концентрація СО₂ в природній воді істотно залежить від ступеня вуглекислотної рівноваги і складає приблизно 0,5 мг/кг (10^–5 моль/кг⁾ при 293 К. Концентрація О₂ в значній мірі залежить від вмісту у воді органічних речовин і температури. При збільшенні температури від 273 до 308 К концентрація кисню в чистій воді зменшується від 14,6 до 6,5 мг/кг.

КЛАСИФІКАЦІЯ ПРИРОДНИХ ВОД

Існуюча класифікація природних вод охоплює різноманіття домішок|нечистот|, що містяться|утримуються| в них, як в якісному, так і в кількісному відношенні|ставленні|.

За солевмістом природні води розділяються на прісні (< 1 г/кг), солонуваті (1 – 25 г/кг) і солоні (> 25 г/кг).

У свою чергу|в свою чергу| прісні води можна підрозділити на маломінералізовані| (< 0,2 г/кг), середньої мінералізації (0,2 – 0,5 г/кг) і підвищеної мінералізації (0,5 – 1,0 г/кг).

За значенням загальної жорсткості, мг-екв/кг, природні води класифікуються таким чином: Ж_о < 1,5 – води з малою жорсткістю; Ж_о = 1,5 ÷ 3 – води з середньою жорсткістю; Ж_о = 3 ÷ 6 – води з підвищеною жорсткістю; Ж_о = 6 ÷ 12 – води з високою жорсткістю і Ж_о > 12 – води з дуже високою жорсткістю.

У СРСР північні річки|ріки| характеризуються малою жорсткістю, і навпаки, річки|ріки| південних областей відрізняються високою жорсткістю (особливо в районах Донбасу, Казахстану і Приазов'я).

В основу класифікації води може бути положений і вміст відповідних аніонів. Всі природні води підрозділяються за характером переважаючого у воді аніона на три класи: гідрокарбонатні (у яких переважає аніон НСО₃^–), сульфатні (переважає SO₄^2–) і хлоридні (переважає Cl^–). У свою чергу кожний клас підрозділяється за переважаючим катіоном на групи: кальцієву, магнієву, натрієву. Понад 80% всіх річок СРСР володіє водами гідрокарбонатного класу.

За ступенем забрудненості органічними речовинами природні води можна розділити на чотири групи, що характеризуються певною окислюваністю, мгО₂/кг: менше 5 – мала, 5 ÷ 10 – середня, 10 ÷ 20 – підвищена і понад 20 – сильна. Особливо багаті органічними речовинами води болотяного типу, і навпаки, підземні води вельми бідні органічними речовинами. Окислюваність поверхневих вод істотно змінюється залежно від пори року. Максимальний вміст органічних домішок спостерігається в природних водах в паводкові періоди.

ВИБІР ДЖЕРЕЛА ВОДИ І ПРОДУКТИВНОСТІ ВОДОПІДГОТОВЧОЇ УСТАНОВКИ

У зв'язку з тим що концентрації домішок в поверхневих водах в створі забору води можуть значно змінюватися залежно від безлічі чинників: розміру басейну, пори року, зміни кількості опадів в різні роки і т.д., рішення про придатність даного водоймища для використання можна приймати лише на основі ретельного багатолітнього дослідження якості і дебіту води в ньому. У таблиці. 1.1 наведені склад і значення концентрацій домішок деяких джерел водопостачання в СРСР.

При виборі джерела водопостачання слід враховувати не лише|не те що| потреби|нужду| водопідготовки, але і водоспоживання електростанції в цілому|загалом|. Якщо в районі розташування ТЕС є|наявний| декілька джерел водопостачання, то вибір того або іншого з|із| них повинен здійснюватися|чинити| з|із| умови, що якість води в ньому оказує безпосередній вплив на методи і схему обробки додаткової води.

Так, якщо джерелом води є|з'являється| артезіанська вода, в якій практично відсутні ГДП і органічні речовини, то відпадає необхідність в попередній її коагуляції. Проте|однак| така вода зазвичай|звично| містить|утримує| велику кількість іонів двовалентного заліза, що призводить|наводить| до необ­хідності| застосовувати методи попереднього його видалення|віддалення| з|із| води перед подальшою|наступною| обробкою. Перевагою артезіанської води перед поверхневою|зверхньою| є|з'являється| її стабільний склад у всі пори роки, що в значній мірі|значною мірою| полегшує експлуатацію водопідготовчої установки.

При заборі|огорожі| води з|із| поверхневого|зверхнього| джерела слід враховувати, що якість води в ньому змінюється не лише|не тільки| за сезонами, але і по роках. Так, навесні і осінню в такій воді зростають концентрації ГДП і органічних речовин і зменшується солевміст, в літні і зимові місяці – навпаки. Ці обставини слід враховувати при проектуванні схеми обробки води з|із| поверхневих|зверхніх| джерел, оскільки|тому що| водопідготовча установка (ВПУ) розраховується стосовно максимальних концентрацій тієї або іншої речовини в природній воді. В деяких випадках при відповідному техніко-економічному обґрунтуванні можливе використання в якості початкової для ВПУ води з|із| прямотічних| або оборотних систем водопостачання, а також очищених|обчищених| стічних вод ТЕС. Місце забору|огорожі| води слід розташовувати по можливості далі від місця скидання|скиду| стічних вод сусідніх підприємств.

Продуктивність ВПУ має бути достатньою для покриття втрат води і пари в схемі ТЕС, а також для витрати води і пари на різні технологічні потреби|нужду| електростанції.

Таблиця 1.1. джерел водопостачання в СРСР

Вміст іонів і оксидів, мг/кг

Грубо- диспер-| сні| домішки, мг/кг

Сухий залишок, мг/кг

Окис-люва-ність, мг О2/кг

Жорсткість мг-екв/кг

Mg2+

Na++K+

HCO3–

SO42–

Cl–

NO3–

SiO32–

Fe2O3+ +Al2O3

Жо

Жк

Річки Дніпро Дон Іртиш Москва Нева Ока Урал Озера Байкал Балхаш Морить Чорне Каспій-ське Океан

Запоріжжя Задонськ Омськ Москва Ленінград Горький Гур’єв – – – – –

51,9 53,9 28,1 60 9 91,8 108,2 21,3 38,7 246 381 418

15 29,4 17 15,8 1,2 16,8 9,7 4,3 106 648 764 1329

8,6 19,6 36,1 – 2,7 7,8 107,3 0,3 331 5530 3274 11 030

188 293,5 165 201 26,2 244 234,2 68,3 194 81 105 146

29,7 48,2 31,7 13,5 6,1 81 107 6,4 572 1305 3013 2767

15,8 5 34 25,5 3,9 22 170,0 3,5 345 9626 5407 19 833

2,4 – 3 – – – – – – – – –

4 – 5,7 10 5,9 17,8 9,1 – 10,1 – – –

4,4 – – 0,4 0,3 0,4 – – – – – –

– – 172,4 – – 62,4 34,0 – – – – –

315 – 344,4 – 67,2 438 769,6 – 1775 17 000 13 000 36 000

10,2 5,8 14,8 8,3 7,6 13,6 5,2 – – – – –

3,82 5,1 2,8 4,3 0,55 5,97 6,2 1,43 10,7 65,6 66,5 131,3

3,08 4,81 2,7 3,3 0,43 4 3,84 1,12 3,17 – – –

Частина втрат на ТЕС неминуча і пов'язана з витратою води і пари на власні потреби: продування котлів, водні промивання устаткування, обслуговування установок по очищенню конденсату і т.п. Ці втрати нормуються для кожної ТЕС. Інша частка втрат відноситься до «інших» витрат на власні потреби: на очищення за допомогою дробу, на відбір проб води і пари, на гідравлічні випробування устаткування і т.п. В цілому «інші» витрати не повинні перевищувати (у % загальної витрати живильної води працюючих котлів): на ГРЕС – 1; на ТЕЦ з чисто опалювальним навантаженням – 1,2; на ТЕЦ з виробничим або виробничим і опалювальним навантаженнями –1,6.

Крім того, на ТЕС існують втрати, пов'язані з відхиленням технологічних режимів від заводських і виробничих| інструкцій, а також викликані|спричиняти| різними витоками через нещільність арматури. Ці втрати не нормуються і підлягають усуненню.

Виходячи з суми втрат для ГРЕС і опалювальних ТЕЦ встановлюється розрахункова продуктивність ВПУ, рівна 2% паропродуктивності| встановлюваних котлів. Крім того, передбачається збільшення продуктивності загальностанційної ВПУ або додаткова знесолювальна установка для електростанцій з|із| прямотічними| котлами продуктивністю: для блоків до 300 МВт – 25 т/год.; для блоків 500 МВт – 50 т/год. і для блоків 800 МВт – 75 т/год. Продуктивність такої установки для електростанції з|із| барабанними котлами встановлюється рівною 25 т/год. При використанні пари на розігрівання мазуту на газомазутових ТЕС продуктивність ВПУ повинна збільшуватися з|із| розрахунку 0,15 т на кожну тону спалюваного мазуту.

На таких ТЕС для підготовки додаткової води переважно | встановлюються випарники і пароперетворювачі|. Розрахункова продуктивність хімічної ВПУ для підготовки живильної|живлячої| води випарників має бути рівною максимальній продуктивності всіх випарників, збільшеній на витрату їх продування і зменшеній на витрату використовуваних для живлення|харчування| випарників інших потоків води: продувочної|, поворотного конденсату і т.п. |тощо|

На ТЕЦ з|із| виробничим навантаженням продуктивність ВПУ повинна покривати внутрішньостанційні втрати, 50% втрат конденсату, що повертається з виробництва, і втрати з|із| продування котлів і випарників, якщо вони встановлюються для підготовки додаткової води. На всіх ТЕС, де встановлюються випарники, незалежно від типів встановлених|установлених| котлів необхідно додатково передбачати загальностанційну випарну|випарювальну| або знесолювальну установку з урахуванням використання конденсату, що повертається з виробництва.