Глава 7. Обработка воды в оборотных системах производственного водоснабжения

Требования к качеству воды в оборотных системах производственного водоснабжения в целом сводятся к следующему: вода не должна оказывать отрицательного воздействия на качество получаемого продукта; не должна вызывать образование солевых отложений, биологических обрастаний и коррозии аппаратуры, трубопроводов и сооружений; должна обеспечивать требуемое санитарно-гигиеническое состояние рабочих мест.

Для обеспечения этих требований осуществляется разнообразная обработка воды, циркулирующей в оборотной системе, и подпиточной воды.

Все многообразие методов обработки воды в оборотных системах водоснабжения по целевому назначению можно сгруппировать в два направления:

обработка охлаждающей воды в оборотных системах с целью предотвращения образования солевых отложений, биологических обрастаний и коррозии аппаратуры, трубопроводов и сооружений;

обработка сточных вод в оборотных и замкнутых системах водоснабжения с целью обеспечения баланса по веществам.

7.1. Обработка охлаждающей воды в оборотных системах водоснабжения

В процессе обработки охлаждающей воды оборотных систем наиболее часто приходится решать такие задачи, как удаление из воды нерастворенных примесей (взвешенных веществ); предотвращение карбонатных и сульфатных отложений; борьба с развитием водорослей и биологическим обрастанием охлаждающих устройств и оборудования.

Взвешенные вещества в систему оборотного водоснабжения поступают с воздухом в охладителях, с добавочной водой и образуются в самой системе в виде продуктов коррозии, биологических обрастаний и др. Наличие в оборотной воде взвешенных веществ больше допустимой величины может привести к образованию отложении в теплообменных аппаратах, трубопроводах и снижению коэффициента теплоотдачи.

Для поддержания содержания взвешенных веществ на

95

требуемом уровне могут осуществляться продувка системы, осветление добавочной и оборотной воды.

Удаление из оборотной системы части взвешенных веществ с продувочной водой целесообразно в том случае, если эта вода будет направлена на повторное использование в какую-либо систему производственного водоснабжения загрязненного цикла, имеющую свои очистные сооружения. Продувка системы целесообразна и в том случае, когда она еще необходима для поддержания в оборотной системе концентрации растворенных солей на требуемом уровне.

Определить количество продувочной воды для поддержания баланса по взвешенным веществам можно только в процессе эксплуатации системы водоснабжения, так как это зависит от конструктивных особенностей каждой системы. Величина этого продувочного расхода должна быть не меньше величины продувочного расхода, рассчитанного для обеспечения в оборотной системе баланса по концентрации растворенных солей (см. гл. 3).

Снижение содержания взвешенных веществ в оборотной системе за счет осветления добавочной воды является наиболее простым и распространенным способом. Однако во многих случаях этого недостаточно, так как, кроме примесей добавочной воды, в оборотную систему поступают примеси, продуцирующиеся в самой системе. Для удаления их производится очистка оборотной воды. В зависимости от мощности системы, количества вносимых примесей и способа очистки на осветление может подаваться весь поток воды (небольшие системы) либо его часть (мощные системы). Так как из системы оборотного водоснабжения необходимо выводить грубодисперсные примеси, то для очистки целесообразно применять сетчатые фильтры (см. гл. 6).

Анализ работы оборотных систем водяного охлаждения показывает, что значительная часть примесей образуется и накапливается ,в резервуарах градирен являющихся по сути своей отстойниками. Чистка резервуаров осуществляется, как правило, вручную в период выключения градирен из работы, что существенно осложняет их эксплуатацию. Для улучшения условий эксплуатации и повышения эффекта осветления воды рекомендуется применять градирни с резервуарами-отстойниками [3]. Такие резервуары оборудуются тонкослойными модулями и приямками, из которых осадок может отводиться без остановки градирен.

Существенное влияние на эффективность охлаждения

96

оборудования оказывают отложения солей в теплообменных аппаратах. В значительной степени отложения обусловлены выпадением карбоната кальция. В ряде случаев наблюдается осаждение сульфата кальция и некоторых других солей.

Выпадение карбоната кальция происходит в результате нарушения углекислотного равновесия в воде. При нагреве воды в теплообменных аппаратах снижается растворимость газов и из воды удаляется часть двуокиси углерода. Это приводит к распаду гидрокарбонатного иона и образованию нерастворимого карбоната кальция, который и выпадает в виде кристаллического осадка в тепло-обменных аппаратах и трубопроводах. Ситуация усугубляется в охладителях, где в результате контакта с воздухом происходит дегазация воды с потерей еще некоторого количества двуокиси углерода. Кроме того, в результате испарения части воды в охладителях происходит повышение концентрации солей в оборотной воде, что также способствует образованию отложений, в том числе и сульфата кальция.

Оценка термостабильности воды может осуществляться аналитическими расчетами, экспериментальными исследованиями на модели системы оборотного водоснабжения с учетом конкретных условий или по опыту эксплуатации аналогичных систем на воде данного источника. Аналитические методы расчета дают лишь приблизительную оценку уровня термостабильности и не могут учесть влияния всех факторов. Проведение экспериментальных исследований позволяет не только более точно оценить уровень термостабильности воды, но и проверить эффективность стабилизации воды различными методами.

Опыт эксплуатации оборотных систем водоснабжения показывает, что обработку охлаждающей воды для предотвращения образования отложений следует производить, когда

K_y·Щ_доб≥3,

здесь К_y- коэффициент концентрирования (упаривания); Щ_доб-щелочность добавочной воды, г-экв/м³.

K_y= p₁+ p₂+ p₃/p₂+ p₃,

97

где р₁, р₂, р₃- потери воды из системы на испарение, унос с воздухом и продувку, %, расхода оборотной воды.

Для предотвращения отложений в системах оборотного водоснабжения применяются подкисление, рекарбонизация, фосфатирование, комбинированная фосфатно-кислотная обработка и умягчение подпиточной воды.

Подкисление является наиболее надежным и универсальным способом обработки воды для предотвращения карбонатных отложений в системе. Способ подкисления применим при любых значениях карбонатной жесткости (щелочности) добавочной воды и коэффициента упаривания. Преимуществом способа является небольшая сравнительно с другими методами стоимость и минимальные значения продувочных расходов либо их отсутствие вообще. Опыт эксплуатации оборотных систем водоснабжения показывает [3], что подкисление воды дает хороший эффект и при подпитке систем очищенными сточными водами.

Недостатками способа подкисления является агрессивность применяемых реагентов (серной H₂SO₄или соляной НСl кислот) и возможность коррозии оборудования в случае передозировки кислоты.

Для приблизительных расчетов при проектировании кислотного хозяйства дозу кислоты, мг/л, в расчете на добавочную воду следует определять по формуле [12]

Д_кис= 100 e_кис(Щ_доб- Щ_об/K_y)/C_кис,

где е_кис- эквивалентный вес кислоты, г/г-экв (для серной кислоты -49, для соляной - 36,5); Щ_об- щелочность оборотной воды, устанавливающаяся при обработке воды кислотой, г-экв/м³; определяется по рекомендациям прил. 12 [12]; Скис - содержание H₂SO₄или НС1 в техническом продукте, %.

Рекарбонизацию (обработку воды оборотной системы газообразной двуокисью углерода) целесообразно применять при карбонатной жесткости добавочной воды до 3-3,5 г-экв/м³на предприятиях, где этот газ является продуктом отхода промышленного производства (например, дымовые газы котельных). Введение дымовых газов, очищенных от золы в оборотную воду можно осуществлять с помощью газодувок через барботажные трубы, уложенные

98

по дну резервуара, или с помощью эжекторов (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Рекарбонизация охлаждающей воды дымовыми газами:1- теплообменные аппараты водопотребителей;2- градирня;3- резервуар охлажденной воды;4- насосная станция оборотного водоснабжения;5- насос;6- эжектор;7- дымоход;8- очистка дымовых газов; В4 - трубопровод оборотной системы подающий; В5 - трубопровод оборотной системы обратный; Г - газопровод

При использовании эжекторов дымовыми газами насыщается часть оборотной воды, которая отбирается насосами 5и подается в эжекторы 6, где осуществляется насыщение воды двуокисью углерода, находящейся в дымовых газах. Насыщенная газами вода смешивается в резервуаре с основным потоком оборотной воды. Устройства для растворения в воде двуокиси углерода и транспортирования этой воды должны выполняться из коррозионно-стойких материалов. Определение дозы двуокиси углерода и количества воды, направляемой в эжекторы, осуществляется по рекомендациям прил. 12 [12].

Фосфатирование (обработку воды гексаметафосфатом или триполифосфатом натрия) для предотвращения карбонатных отложений применяется при щелочности добавочной воды не более 4 г-экв/м³. Концентрация фосфатного реагента в расчете на Р₂О₅в оборотной воде должна поддерживаться равной 1,5-2 г/м³. При этом в расчете на расход добавочной воды необходимая доза реагента

99

должна составлять 1,5-2,5 г/м³по Р₂О₂или 3-5 г/м³по товарному продукту. Достоинством способа фосфатирования является то, что полифосфаты не обладают агрессивными свойствами, а, наоборот, способствуют замедлению коррозии. В то же время необходимость продувки оборотной системы ограничивает применение фосфатирования, особенно при создании замкнутых систем водного хозяйства предприятий.

Комбинированная фосфатно-кислотная обработка обладает достоинством кислотной обработки и исключает вероятность коррозии трубопроводов и оборудования оборотной системы.

Метод умягчения добавочной воды перед подачей в оборотную систему для предотвращения образования карбонатных отложений применяется довольно редко ввиду большой его стоимости.

Проблема сульфатных отложений в оборотных системах возникает при повышении концентрации растворенных солей в оборотной воде и при использовании для подпитки очищенных сточных вод. Одним из основных способов борьбы с сульфатными отложениями в оборотных системах охлаждающего водоснабжения является установление водно-химического режима работы системы, при котором произведение активных концентраций ионов кальция и сульфатов не превышает произведения растворимости сульфата кальция.

При малой минерализации, жесткости и щелочности подпиточной воды в оборотной системе может возникнуть опасность коррозии трубопроводов и оборудования. Для борьбы с коррозией широко используются ингибиторы, в качестве которых могут применяться орто-, пиро-, триполифосфаты и др.

В охлаждающих системах оборотного водоснабжения при наличии в воде достаточного количества кислорода, биогенных элементов и органических веществ могут интенсивно развиваться биологические обрастания. Этот процесс усиливается при подпитке оборотных систем сточной водой. Развивающиеся на теплообменных аппаратах, в трубопроводах и конструкциях охладителей обрастания снижают коэффициент теплопередачи и эффективность работы градирен, увеличивают гидравлическое сопротивление системы.

Для борьбы с развитием биологических обрастаний в оборотных системах охлаждающего водоснабжения широкое применение нашло хлорирование воды. Дозу хлора определяют в зависимости

100

от хлоропоглощаемости оборотной воды с таким расчетом, чтобы концентрация остаточного хлора на выходе из самого удаленного теплообменного аппарата составляла 1-1,5 г/м³. Продолжительность хлорирования принимается 30-60 мин, периодичность обработки -2-6 раз в сутки.

Предупреждение биологического обрастания микроорганизмами и водорослями градирен, брызгальных бассейнов и оросительных теплообменных аппаратов достигается совместной обработкой оборотной воды хлором и медным купоросом. Доза хлора принимается 7-10 г/м³, доза медного купороса - 4-6 г/м³, что соответствует 1-1,5 г/м³иона меди. Продолжительность обработки принимается равной 1 ч, периодичность обработки - 3-4 раза в месяц в теплое время года (с апреля по октябрь).

Для борьбы с цветением воды в водохранилищах- и прудах-охладителях, наблюдающемся в летние месяцы года, применяется обработка воды медным купоросом. Доза реагента по иону меди составляет 0,1-0,5 г/м³. Количество вводимого реагента для водохранилищ-охладителей рассчитывается на объем верхнего слоя воды толщиной 1-1,5 м, для прудов-охладителей - на весь объем. Продолжительность и периодичность обработки воды устанавливается опытным путем.

В водохранилищах- и прудах-охладителях рыбохозяйственного значения обработка воды медным купоросом не производится.

101

7.2. Обработка сточных вод при создании оборотных и замкнутых систем водоснабжения

Обработка сточных вод в оборотных и замкнутых системах водоснабжения осуществляется с целью придания им свойств, позволяющих повторное использование очищенной воды на производственные нужды.

Способы обработки сточных вод, предназначенных для повторного использования, зависят от характера и концентрации загрязняющих веществ, количества сточных вод и требований водопотребителей, использующих очищенные сточные воды.

Для обработки сточных вод при создании оборотных и замкнутых систем применяются все известные методы очистки городских и производственных сточных вод, с которыми студенты знакомятся при изучении дисциплин, освещающих водоотведение

101

населенных мест и промышленных предприятий.

В силу этого далее будет обращено внимание только на некоторые особенности обработки сточных вод для повторного использования и на примере будет обозначен круг вопросов, которые приходится решать при создании замкнутых систем водопользования.

При создании таких систем очищенные производственные и городские сточные воды, а также поверхностный сток рассматриваются как источник водоснабжения производственных водопотребителей. Именно это должно быть положено в основу при выборе методов очистки сточных вод и разработке схем водоснабжения и водоотведения.

Очистка стока должна сводиться к регенерации отработанной воды с целью ее повторного использования в производстве. При этом целесообразно создавать локальные замкнутые системы технического водоснабжения, которые являются основным звеном замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий. Методы регенерации отработанной воды должны обеспечивать одновременное извлечение ценных компонентов и доведение образующихся отходов до товарного продукта или вторичного сырья при минимальных материальных и энергетических затратах.

Замкнутая система водного хозяйства промышленного предприятия включает в свой состав несколько локальных и централизованных замкнутых систем водоснабжения. Централизованные системы создают для регенерации сточных вод, близких по химическому составу, при обработке которых целесообразно использовать один и тот же способ. В некоторых случаях необходима предварительная очистка одного или нескольких локальных потоков перед их объединением с остальными сточными водами.

Замкнутые системы водного хозяйства промпредприятий обеспечивают оптимальное использование воды во всех технологических операциях, производствах и цехах.

Значительную сложность при создании замкнутых систем водопользования представляет корректировка минерального состава очищенных сточных вод. Для поддержания солесодержания в воде оборотных систем на заданном уровне применяется удаление растворенных примесей обессоливанием части оборотной воды методами дистилляции, электродиализа, ионного обмена и гиперфильтрации.

При использовании для подпитки оборотных охлаждающих систем очищенных городских сточных вод к ним предъявляются

102

требования по технологическим свойствам и санитарной безопасности. Требования к технологическим свойствам очищенных сточных вод сводятся к предотвращению образования на поверхности теплообменников каких-либо отложении (солевых, биологических и механических) и коррозии оборудования. Для выполнения этих требований часто биологически очищенные сточные воды необходимо освобождать от органических веществ, умягчать или обессоливать. Санитарно-гигиенические требования заключаются в обеспечении безопасных эпидемиологических и токсикологических условий для обслуживающего персонала и окружающей среды. Для этого биологически очищенные городские сточные воды подвергаются всесторонней гигиенической оценке с целью определения органолептических, эпидемиологических и токсикологических факторов, чтобы на основании этих данных выбрать методы их доочистки. Гигиеническую оценку воды проводят на основе комплексного изучения условий ее использования, методов доочистки и обеззараживания, физико-химического состава и степени возможной токсичности и опасности для человека.

Значительное место в замкнутых системах водопользования занимают установки для переработки и утилизации концентрированных отработанных технологических растворов, осадков и др. Именно эти сооружения позволяют сделать систему водопользования замкнутой.

Наглядное представление о проблемах, которые приходится решать при разработке замкнутых систем дает система водного хозяйства Тобольского нефтехимического комбината (НХК), изображенная на рис. 7.2.

В состав комплекса первой очереди строительства входят нефтехимический комбинат В, включающий газофракционную установку, отдельные производства (дивинила методом одностадийного дегидрирования изобутана, изопрена из изопентана, изопрена из изобутилена и формальдегида), строительная база Б, ТЭЦГи городА.

Уникальное рыбохозяйственное значение Обь-Иртышского бассейна и всевозрастающие масштабы использования водных ресурсов Тюменского территориально-производственного комплекса послужили основанием для принятия решения о создании замкнутой системы водного хозяйства Тобольского НХК без сброса сточных вод в водоемы.

103

Рис. 7.2. Схема водного хозяйства Тобольского НХК:А- г. Тобольск;Б- база стройиндустрии;В- нефтехимический комбинат;Г- ТЭЦ;Д- водозабор из подземного источника;Е- фильтры ВСФ-2000 для очистки оборотной воды;Ж- узел очистки промывных вод фильтров ВСФ-2000;И- сооружения очистки городских сточных вод;К- сооружения очистки производственных сточных вод;Л- станция подготовки речной воды;М- узел очистки поверхностного стока;Н- накопитель поверхностного стока;1- подземные воды;2- городские сточные воды;3- питьевая вода из поверхностного источника;4- речная фильтрованная вода;5- оборотная охлаждающая вода;6- промывные воды фильтров ВСФ-2000;7- бытовые стоки;8- производственные стоки;9- речная вода;10- речная осветленная вода;11- поверхностный сток;12- очищенные сточные воды на подпитку оборотных систем

104

Создание замкнутой системы водоснабжения и канализации здесь достигается путем использования новых технологических процессов, обеспечивающих значительное снижение количества сточных вод, максимально возможного применения воздушного охлаждения и внутритехнологических оборотных циклов, повторного использования технологических жидкостей, удаления из сточных вод биохимически неокисляющихся или трудно окисляющихся соединений на локальных установках и, наконец, использования производственных, городских сточных вод и поверхностного стока после соответствующей их очистки в системах промышленного водоснабжения.

Так, внедрение метода одностадийного дегидрирования бутана в производстве дивинила обеспечило уменьшение количества сточных вод более чем в 100 раз. Применение аппаратов воздушного охлаждения дало возможность снизить расход воды на промышленное водоснабжение примерно в 2 раза. Внедрение локальных методов очистки сточных вод (в основном выпарки углеводородов, ректификации, нейтрализации и отстаивания) с последующим применением этих вод в локальных замкнутых системах технического водоснабжения позволило довести степень использования оборотной воды до 98 % общего расхода на производственные нужды, а количество воды, сбрасываемой в систему загрязненных сточных вод, -уменьшить в 5,5 раза. В результате количество загрязнений в сточных водах, поступающих на внеплощадочные очистные сооружения, по БПК снижается с 790 до 24 т/сут. или в 33 раза по сравнению с аналогичным показателем для существующих заводов подобного типа.

Основное количество воды на ТЭЦ и комбинате расходуется на охлаждение. Для восполнения потерь воды в этих системах предусматривается использование очищенных городских и производственных сточных вод, а также поверхностного стока, которые полностью не покрывают потребность в воде для этих целей.

Водоснабжение города А осуществляется питьевой речной и подземной водой, промышленных предприятий (стройиндустрии Б, химииВи ТЭЦГ) - речной водой питьевой, осветленной и фильтрованной, а также очищенными поверхностными, бытовыми, городскими и производственными сточными водами и промывными водами фильтров оборотных охлаждающих систем. Поверхностный сток и вода от промывки фильтров оборотных систем

105

охлаждающего водоснабжения подвергаются реагентной обработке, отстаиванию и фильтрованию.

Схема очистки городских и производственных сточных вод, их подготовки и использования в оборотных охлаждающих системах показана на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Схема очистки производственных и городских сточных вод Тобольского НХК и их использования в оборотных охлаждающих системах:А-тонкослойные отстойники;Б- окситенки;В- биосорберы;Г- каркасно-засыпные фильтры;Д- контактный резервуар;Е- смеситель;Ж- градирни;И- насосы оборотной системы;К- производственный водопотребитель;Л- фильтры ВСФ-2000;М- сооружения для корректировки минерального состава;1- производственные сточные воды;2- биогенные элементы;3- активированный уголь;4- коагулянт,5- флокулянт;6- ингибитор;7- кислота;8- хлор;9- городские сточные воды;10- потери воды в охладителях

Сточные воды производства изопрена из изобутилена и формальдегида подвергаются локальной очистке методом гидрокаталитического разложения с использованием образующегося в производстве пара.

Схема очистки производственных и городских сточных вод, их подготовки и использования в оборотных охлаждающих системах и технологические параметры процесса как отдельных узлов, так и всей системы в целом отработаны на опытных моделях и промышленных установках на реальных сточных водах.

Производственные сточные воды последовательно проходят сооружения (см. рис. 7.3): механической очистки - тонкослойные

106

отстойникиА; полной биологической очистки - окситенкиБна первой ступени и биосорберыВна второй; доочистки - каркасно-засыпные фильтрыГ, после чего поступают в смесительЕ, где смешиваются с очищенными городскими сточными водами.

Городские сточные воды последовательно проходят сооружения: механической очистки - тонкослойные отстойники А; полной биологической очистки - окситенкиБ; доочистки - каркасно-засыпные фильтрыГ; обеззараживания хлором - контактный резервуарД, после чего поступают в смесительЕ.

Продолжительность контакта воды с хлором составляет 30 мин, при этом обеспечивается остаточная концентрация активного хлора не менее 1 мг/л. Соотношение очищенных и доочищенных производственных и городских сточных вод в смеси, поступающей в оборотные охлаждающие системы, составляет 1 : 7. Качество воды характеризуется следующими показателями: ХПК - до 30 мг/л, БПК_полн- до 10 мг/л, содержание взвешенных веществ - до 10 мг/л.

Для предотвращения карбонатных отложений в системе используется метод подкисления добавочной воды с доведением ее щелочности до 0,8-1,2 мг-экв/л, для предотвращения биологических обрастаний - периодическая обработка воды хлором, а коррозии теплообменного оборудования - обработка цинк-хроматно-фосфатным ингибитором дозой, обеспечивающей концентрацию шестивалентного хрома в оборотной воде не более 1,7 мг/л и цинка не более 2 мг/л.

Вода, использованная для охлаждения теплообменного оборудования у потребителей К(см. рис. 7.3), нагревается с 25 до 38-40℃. При охлаждении воды на градирнях Ж ее потери составляют на испарение не более 1,8 %, с капельным уносом не более 0,15 %. Оборотная вода в количестве 5-8 % подвергается очистке от взвешенных веществ в фильтрахЛтипа ВСФ-2000.

Для обеспечения беспродувочного режима работы оборотных охлаждающих систем предусмотрены сооружения корректировки минерального состава оборотной воды М. Самым сложным узлом здесь является переработка концентрированных солесодержащих сточных вод, образовавшихся в результате корректировки минерального состава оборотной воды.

107