WATER TREATMENT BY AN INTEGRATED METHOD FOR OPERATION OF WATER BOILERS AND HEATING NETWORKS

Full Text

Введение Водоподготовка является одним из важнейших процессов в работе промышленных предприятий. Очищенная вода участвует во многих технологических процессах от металлургической до фармацевтической промышленности. Обработка воды включает в себя комплекс химических, физических и биологических методов изменения ее первоначального состава. Технологические схемы улучшения качества воды зависят от целей использования и исходных показателей качества, которые нормируются по СанПиНам и ГОСТам. В настоящее время для котельных наибольшее распространение получили следующие технологические схемы: - одноступенчатое фильтрование с помощью скорых фильтров; - двухступенчатое фильтрование с помощью контактных префильтров и скорых фильтров. Предварительная очистка воды выполняется путем механической фильтрации в фильтрах, наполненных песком, дробленым антрацитом, керамзитом или мраморной крошкой. Умягчение выполняется методами: термическим, реагентным, ионообменным, диализом. Наибольшее применение получил ионообменный метод (метод катионного обмена), так как по сравнению с термическим и реагентным он требует меньших затрат на электроэнергию, приобретение и установку оборудования и является наиболее компактным. В современном мире подготовка технической и оборотной воды для промышленных предприятий является актуальной проблемой. Л. Л. Негода, С. А. Минкина, С. Э. Ангалышев, В. А. Цейзер 51 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 Многие инженеры и ученые продолжают искать новые способы очистки воды и совершенствуют старые. Цель работы - переосмысление и исследование возможностей использования комплексного метода очистки воды, который позволит осветлить воду и выполнить ее умягчение. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - определить эффективную загрузку; - произвести компоновку комплексного фильтра; - изучить химический состав исследуемой воды; - проанализировать полученные данные; - рассчитать экономический эффект. Оценка современного состояния проблемы В классической и современной литературе по водоподготовке отсутствуют данные о том, как фильтры для механической очистки влияют на содержание растворенных солей в фильтрате, помимо этого отсутствуют сведения об эффекте умягчения. Это можно считать серьезным допущением, так как стоимость загрузки для механических фильтров в десятки раз меньше, чем стоимость загрузки для ионообменных фильтров. Своевременная замена загрузки фильтров первой ступени может привести к частичному снижению нагрузки на дорогостоящие ионообменные смолы, что позволит увеличить длительность использования фильтров второй ступени. Такой подход к водоподготовке на промышленных предприятиях малой и средней мощности позволит сократить затраты на водоподготовку. Исследования загрузки фильтров для механической очистки были основаны на концептуальных положениях теории о том, что аморфные структуры в кварцевом песке, микро- и нанопоры в дробленом керамзите, антраците и активированном угле способны задерживать не только тонкодисперсные примеси, но и некоторый процент солей жесткости, содержащихся в природной воде. Исходные данные для исследования При проведении ряда лабораторных исследований и экспериментов была использована природная вода из трех подземных источников в Самарской области: одна из скважины глубиной 21 м в поселке Кряж (г. Самара) (табл.1) и две из скважин глубиной 10 и 15 м в селе Яблоновый овраг (Волжский р-н) (табл. 2, 3). Для исследования были доступны три вида загрузки механических фильтров: - кварцевый вольский песок с модулем крупности 1,5; - керамзит дробленый фракции 0,63-1,25 мм; - уголь кокосовый активированный БАУ-А (ГОСТ 6217-74. Уголь активированный древесный дробленый. Технические условия). Таблица 1 Данные анализа воды в поселке Кряж Наименование Концентрация, мг/л норма ПДК исследуемая вода Водородный показатель рН 6-9 6,8 Жесткость воды 7-10 18,4 Таблица 2 Данные анализа воды в селе Яблоновый овраг, скважина 10 м Наименование Концентрация, мг/л норма ПДК исследуемая вода Водородный показатель рН 6-9 6,62 Жесткость воды 7-10 19,4 Таблица 3 Данные анализа воды в селе Яблоновый овраг, скважина 15 м Наименование Концентрация, мг/л норма ПДК исследуемая вода Водородный показатель рН 6-9 6,6 Хром 0,05 н.м.ч. Железо (общее) 0,3 0,42 Ион-аммония 1,5 0,76 Нитрит-ион 3,3 0,21 Сульфаты 500 >1000 Полифосфаты 3,5 >3,5 Жесткость воды 7-10 10,0 Медь 1,0 0,021 Нитраты ≤ 45 >45 Кадмий 0,00014 0,04 Хлориды 350 - Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 52 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ И три вида ионообменных смол: - анионит АВ-17-8; - Н-катионит КУ-2-8; - Na-катионит Lewatit (Леватит) Mono Plus S108. Фильтрующая загрузка была помещена в делительные воронки, которые закреплены на штативе, соотношение загрузок было выбрано 1:1, объем материала составил по 100 мл каждый. Замер общей жесткости проводился с помощью титрования на двух бюретках с ценой деления 0,1 и 0,02 мл. Исходя из поставленных условий, природную воду из подземных источников необходимо очистить до содержания в ней 0,1 мг-экв/л солей жесткости для водогрейных котлов или до 0,02 мг-экв/л для паро-водогрейных котлов (СП 89.13330.2016. Котельные установки. Актуализированная редакция СНиП II-35-76). Первый этап лабораторных исследований Первым этапом исследования являлось определение эффективной загрузки и ее эффекта умягчения. На первом этапе было проведено порядка 86 измерений, которые охватывали общую и карбонатную жесткость химочищенной воды, а также значение показателя среды рН. Работа началась с последовательного изучения эффекта умягчения, который оказывают различные загрузки, как механической очистки, так и ионного обмена. В первом приближении было принято решение о совместной послойной загрузке в одну делительную воронку загрузки механических фильтров и ионообменных смол (рис. 1). Результаты замеров приведены в табл. 4. Полученные результаты измерений в первом приближении говорят о необходимости дальнейшего изучения данной темы: эффект умягчения механической загрузки составил от 45 % (для дробленого керамзита) до 75 % (для кварцевого песка). Для сравнения эффект умягчения для анионита АВ-17-8, H-катионита КУ-2-8 составил 25 и 78,3 % соответственно. Дальнейшие рассуждения о способах повышения эффективности очистки воды привели к тому, что в список исследуемых ионообменных смол был добавлен Na-катионит, так как анионит и Н-катионит не приносили требуемого результата: низкий эффект умягчения. Подробный анализ измерений второго приближения доказал нецелесообразность использования анионита АВ-17-8, H-катионита КУ-2-8 в дальнейших исследованиях, так как изменение показателя кислотности среды рН до 1,69 (табл. 5) не удовлетворяет требованиям. Помимо этого, совместное размещение загрузки в одной емкости фильтра усложняет эксплуатацию. В третьем приближении было принято решение о том, что необходимо определить влияние последовательности фильтрования на эффект очистки. Другими словами, следовало экспериментально определить последовательность прохождения водой слоев загрузки в фильтре (механической очистки и умягчения) [1]. Результаты определения эффекта умягчения приведены в табл. 6. Рис. 1. Комплексные установки с послойной загрузкой в одной делительной воронке. Первое приближение. (Слева направо: уголь акт. + Н-кат, керамзит + Н-кат, кварц. песок + Н-кат, Н-кат+ анионит) Л. Л. Негода, С. А. Минкина, С. Э. Ангалышев, В. А. Цейзер 53 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 Таблица 4 Определение лучшей фильтрующей загрузки. Первое приближение Номер установки Название установки Жхим.очищ, мг-экв/л Эффект умягчения, % 1 Анионит АВ-17-8 13,8 25,0 2 Н-катионит КУ-2-8 4,0 78,3 3 Кокосовый активированный уголь 6,6 64,1 4 Керамзит дробленый 10,2 44,6 5 Вольский кварцевый песок 4,6 75,0 6 Кокосовый активированный уголь + Н-катионит КУ-2-8 1,6 91,0 7 Керамзит дробленый + Н-катионит КУ-2-8 7,0 62,0 8 Вольский кварцевый песок + Н-катионит КУ-2-8 3,0 84,0 9 Анионит АВ-17-8 + Н-катионит КУ-2-8 1,0 95,0 Примечание. Исходная проба воды поселка Кряж. Жо = 18,4 мг-экв/л Таблица 5 Определение лучшей фильтрующей загрузки. Второе приближение Номер установки Название установки рН Жхим.очищ, мг-экв/л Эффект умягчения, % Жкарб, МГ-экв/л 10 Na-катионит Lewatit (Леватит) Mono Plus S108 7,93 0,4 97,9 3,4 1 Анионит АВ-17-8 5,05 12,2 37,1 0,4 2 Н-катионит КУ-2-8 4,06 1,2 93,8 0,6 3 Кокосовый активированный уголь 5,67 6,2 68,0 1,4 4 Керамзит дробленый 7,11 12,0 38,0 3,6 5 Вольский кварцевый песок 6,75 5,8 70,1 2,8 6 Кокосовый активированный уголь + Н-катионит КУ-2-8 1,96 2,2 88,7 0 7 Керамзит дробленый + Н-катионит КУ-2-8 2,15 6,4 67,0 0 8 Вольский кварцевый песок + Н-катионит КУ-2-8 1,91 1,6 91,7 0 9 Анионит АВ-17-8 + Н-катионит КУ-2-8 1,69 1,2 93,8 0 Примечание. Исходная проба воды в селе Яблоновый овраг, 10 м. Жо =19,4 мг-экв/л Таблица 6 Определение лучшего фильтра первой ступени Номер установки Название установки рН Жхим.очищ, мг -экв/л Эффект умягчения, % 1 Na-катионит Lewatit (Леватит) Mono Plus S108 7,28 1,2 92,5 4а Кокосовый активированный уголь 5,65 1,4 91,3 4 Кокосовый активированный уголь + Na-катионит 7,18 0,2 98,8 4* Na-катионит + кокосовый активированный уголь 6,28 1,4 91,3 5а Керамзит дробленый 7,53 6,2 61,3 5 Керамзит дробленый + Na-катионит 7,18 1,0 93,8 5* Na-катионит + керамзит дробленый 7,56 3,4 78,8 6а Вольский кварцевый песок 6,49 1,4 91,3 6 Вольский кварцевый песок + Na-катионит 7,50 0,6 96,3 6* Na-катионит + вольский кварцевый песок 7,27 2,6 83,8 Примечание. Исходная проба воды в селе Яблоновый овраг, 10 м. Жо =16,0 мг-экв/л Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 54 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ Таблица 7 Результаты двухступенчатого фильтрования Номер установки Название установки Жобщ, мг -экв/л Эффект умягчения, % 1-я ступень умягчения 1 Кокосовый активированный уголь + Na-катионит 0,04 99,9 2 Керамзит дробленый + Na-катионит 0,40 98,6 3 Вольский кварцевый песок + Na-катионит 0,60 97,9 2-я ступень умягчения 4 Кокосовый активированный уголь + Na-катионит Умягчение не требуется 5 Керамзит дробленый + Na-катионит 0,04 99,9 6 Вольский кварцевый песок + Na-катионит 0,12 99,6 Примечание. Исходная проба воды в селе Яблоновый овраг, 15 м. Жо =29,0 мг-экв/л После проведенных измерений можно сделать вывод о том, что эффект умягчения повышается во всех трех случаях на 7,5-15 %, если загрузкой первой ступени является загрузка для механической очистки, а не наоборот. Также было замечено, что на установке №4 Кокосовый активированный уголь + Na-катионит эффект умягчения достиг 98,8 %, а жесткость химочищенной воды составила 0,2 мг-эвк/л. Данное значение жесткости не является допустимым для работы водогрейных котлов и работы тепловых сетей. Объяснить это можно двумя предположениями: не хватает точности измерительного прибора (бюретка с ценой деления 0,1 мл) и необходима комплексная двухступенчатая очистка исходной природной воды. На основании данных предположений и анализа ряда исследований в четвертом приближении было принято решение о проведении замеров жесткости химочищенной воды после одно- и двухступенчатого фильтрования на комплексных установках [2]. Результаты измерений приведены в табл. 7. По окончании эксперимента в четвертом приближении был получен внушительный результат, удалось достигнуть 99,9 % эффекта умягчения на первой ступени очистки для угольно-катионитового фильтра и на второй ступени керамзито-катионитового фильтра; к сожалению, песчано-катионитовый фильтр не принес требуемого результата очистки. Отсутствие требуемого результата для песчано-катионитового фильтра можно объяснить несколькими причинами: - за время проведения ряда экспериментов загрузка в комплексном фильтре могла исчерпать запас обменной емкости; - титрование на микробюретке (с ценой деления 0,02) требует особой осторожности и внимательности. Таким образом, основываясь на данных предположениях, нельзя сделать вывод о том, что в ходе работы удалось раскрыть полный потенциал комплексного метода очистки воды и требуется дальнейшее проведение ряда экспериментов. Однако на этом этапе удалось достичь требуемого эффекта умягчения, и вода соответствует требованиям для водогрейных котлов (СП 89.13330.2016). Второй этап лабораторных исследований На втором этапе лабораторных исследований в четвертом приближении была использована вода из второй скважины в селе Яблоновый овраг (15 м), исходная общая жесткость которой составила 29,0 мг-экв/л. Вода из данной скважины имела переменный минеральный состав, поэтому на втором этапе исследований ее общая жесткость составила 10,0 мг-экв/л. Для расчета экономического эффекта и прогнозирования работы комплексных фильтров требовалось произвести измерение Обменной Емкости комплексного фильтра (ОЕ). Для этого необходимо пролить через фильтр некоторое количество воды, после которого эффект умягчения установки начнет снижаться до тех пор, пока очищенная вода не перестанет удовлетворять нашим требованиям и потребуется регенерация. Методика определения была такова, что через каждый фильтр было необходимо пропустить пробы воды по 50/100/200 мл и титрованием определить жесткость химочищенной воды и содержание ионов Ca2+. В ходе определения обменной емкости за весь цикл было проведено более 249 анализов фильтрата, 129 из них на общую жесткость и 120 анализов на содержание ионов кальция. Л. Л. Негода, С. А. Минкина, С. Э. Ангалышев, В. А. Цейзер 55 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 Рис. 2. График зависимости жесткости химочищенной воды от объема пропускаемой воды через угольно-катионитовый фильтр Рис. 3. График зависимости жесткости химочищенной воды от объема пропускаемой воды через керамзито-катионитовый фильтр Рис. 4. График зависимости жесткости химочищенной воды от объема пропускаемой воды через песчано-катионитовый фильтр Рис. 5. График зависимости содержания ионов Ca2+ в фильтрате от объема пропускаемой воды через угольно-катионитовый фильтр Через каждый фильтр с комплексной загрузкой было пропущено 6700 мл исходной воды. Пробы фильтрата отбирались по 50 мл и производилось измерение общей жесткости. Однако такой способ анализа дал неудовлетворительный результат, так как для титрования приходилось делить пробу на 25 мл, что снижало точность измерений, поэтому в дальнейшем отбирались пробы по 200 мл и делились на две части, и при титровании 100 мл фильтрата требуемая точность была достигнута. Данные измерений занесены в сводную таблицу, на основании которой были построены графики (рис. 2-7). Серым цветом на графике обозначены данные из области построения. Черной линией - аппроксимирующая функция от данной кривой. Из анализа построенных графиков видно, что с течением времени при увеличении расхода воды через комплексный фильтр не происходит значительного отклонения от заданного значения жесткости (0,1 мг-экв/л), при этом стоит учитывать превышение жесткости химочищенной воды в начале эксперимента, которое возникло в результате неточных измерений. Все три фильтра показали стабильный результат на протяжении эксперимента, однако в процессе выполнения в связи с ограниченностью условий работы и недостатком ресурсов нам не удалось определить границу перехода состояния фильтра от рабочего к нерабочему. Опираясь на полученные данные, был произведен предварительный расчет рабочей и полной обменной емкости системы. Расчет Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 56 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ рабочей обменной емкости производили по формуле [3-6]: где Ж0 - общая жесткость исходной воды, г-экв/м3; GС.В. - расход воды, пропускаемый через фильтр, м3; 24 - число часов работы за сутки; Vф - объем фильтрующей загрузки, м3 (0,0002 м3); nф - количество фильтров (1); nр - количество регенераций в сутки (1). Значения полной обменной емкости определяются в процессе эксплуатации и зависят от удельного расхода соли на регенерацию gc и коэффициента эффективности регенерации αэ. Расчет произведен по формуле [3-6]: где g - удельный расход воды на отмывку катионита, м3/м3; αэ - коэффициент эффективности регенерации, qc - удельный расход соли на регенерацию; βNa - коэффициент снижения обменной способности катионита по катионам Ca2+, Mg2+ (максимальное значение 0,93, минимальное значение 0,5), - концентрация катионов натрия в воде. Наглядное представление границ полной обменной емкости комплексной загрузки можно увидеть на графике (рис. 8). Графики построены для источников водоснабжения с общей жесткостью Ж0 = 10,0 мг-экв/л. Из анализа кривых графика можно сделать следующие выводы: 1. С ростом значения коэффициента регенерации (αэ) до максимальных по общей жесткости воды значений полная обменная способность катионита падает. 2. Чем выше коэффициент снижения обменной способности по Ca2+, Mg2+ (βNa) при тех же значениях αэ, тем ниже значение полной обменной способности катионита. 3. Значение полной обменной способности катионита определяет число регенерации фильтра в сутки (в расчете было условно принято nр = 1 раз в сутки). 4. Значение полной обменной способности комплексной установки зависит также от расхода воды, пропускаемой через фильтр. Расчет был привязан к конкретному расходу воды и типу фильтра. Вопрос исследований полной обменной способности катионита применительно к различным расходам воды, составу воды и типам фильтров планируется на перспективу работы. Технико-экономическое сравнение Заключительным этапом научной работы является технико-экономическое сравнение выбранных методов очистки. В связи с тем, что не удалось определить точное значение обменной емкости, то расчет затрат на эксплуатацию сооружения невозможен, тем не менее расчет капитальных затрат на установку и приобретение фильтров удалось выполнить. Рис. 6. График зависимости содержания ионов Ca2+ в фильтрате от объема пропускаемой воды через керамзито-катионитовый фильтр Рис. 7. График зависимости содержания ионов Ca2+ в фильтрате от объема пропускаемой воды через песчано-катионитовый фильтр Л. Л. Негода, С. А. Минкина, С. Э. Ангалышев, В. А. Цейзер 57 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 Рис. 8. График зависимости полной обменной емкости от коэффициента регенерации αэ Таблица 8 Расчет экономического эффекта Наименование Цена, р./кг Плотность, кг/м3 Стоимость 1 м3, тыс. р. Стоимость всего фильтра, тыс. р. Экономический эффект в сравнении с 2-ступенч. катионитом, % Эффект умягче- 1-я ния, % ступ. 2-я ступ. 1-я ступ. 2-я ступ. 1-я ступ. 2-я ступ. Уголь активированный 210 450 94,5 94,5 75,65 64,1 Керамзит 10 450 4,5 4,5 98,84 44,6 Песок кварцевый 12 1275 15,3 15,3 96,06 75,0 Уголь акт. + Na-кат. 210 231 450 840 94,5 194,04 288,54 25,65 99,9 Керамзит + Na-кат. 10 231 450 840 4,5 194,04 198,54 48,84 98,6 Песок кварцевый + Na-кат. 12 231 1275 840 15,3 194,04 209,34 46,06 97,9 Катионит 2-я ступ. 231 231 840 840 194,04 194,04 388,08 0,00 99,9 Катионит 1-я ступ. 231 840 194,04 194,04 50,00 97,9 В сводной таблице расчета экономического эффекта (табл. 8) указаны цены по состоянию на март 2020 г. [7, 8]. В сравнении участвовали четыре раздельные установки с загрузками: активированный уголь, дробленый керамзит, кварцевый песок, Na-катионит и три комплексные установки. Отношения масс комплексных загрузок в фильтре 1:1. Для удобства расчеты приведены к 1 м3 загрузки. Экономический эффект соотнесен к затратам на приобретение двухступенчатой установки Na-катионирования (как к наиболее конкурентоспособной). Помимо расчета экономического эффекта, было разработано несколько предложений по рациональному использованию отработанной механической загрузки. Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 58 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ Для повышения обменной способности системы рекомендуется заменять фильтрующую механическую загрузку фильтров первой ступени (кварцевый песок, дробленый керамзит) и направлять данную загрузку на повторное использование для производства строительных материалов: растворов, легких и тяжелых бетонов, керамзитобетонных блоков, брусчатки, для отсыпки при строительстве автодорог и иных сооружений, для благоустройства территорий и ландшафтного дизайна. Добавка-уплотнитель из кварцевого песка обеспечивает прочность бетона со 100 % расходом цемента, а также повышает прочность на 18 % [9]. Для отработанного активированного угля возможна схема размещения со сменными кассетами. После завершения цикла работы кассеты направляются на регенерацию или подлежат утилизации. Выводы 1. Согласно приведённым расчетам и графикам, комплексный фильтр является эффективным по всем представленным показателям. 2. При двухступенчатом катионировании использование комплексных фильтров обеспечивает остаточную жесткость воды, необходимую для нормальной работы водогрейных котлов и тепловых сетей. 3. Промышленным предприятиям, использующим при водоподготовке метод ионного обмена как основной, стоит задуматься над своевременной заменой фильтров механической очистки. Это связано с тем, что механический фильтр способен задерживать до 75 % растворенных в воде солей жесткости. 4. Использование комплексного фильтра в сравнении с обычным двухступенчатым натрий катионированием позволяет сэкономить до 49 % капитальных вложений на приобретение фильтров. 5. Повышенная обменная способность комплексных фильтров (в сравнении с двухступенчатой очисткой методом ионного обмена) позволяет снизить расход соли на регенерацию и количество регенераций, что положительно сказывается на характере сточных вод после обратной промывки ионообменного фильтра. 6. Продажа отработанной механической загрузки, как способ утилизации, позволит амортизировать капитальные затраты на эксплуатацию и регенерацию фильтров второй ступени комплексной очистки. Перспективы развития работы Проведенные исследования позволили решить поставленные задачи и разработать следующие идеи по развитию данной работы: 1. Окончательное определение обменной емкости комплексного фильтра. 2. Проведение экспериментов с разным отношением загрузки 1-й и 2-й ступеней (например, 1:2, 1:3, 2:1 и т. д.). 3. Определение цикла отработки механической загрузки. 4. Разработка систем утилизации отработанной загрузки. 5. Использование иных видов механической загрузки (мраморной крошки и дробленого антрацита).

About the authors

Larisa L. NEGODA

Samara State Technical University

Svetlana A. MINKINA

Samara State Technical University

Sergej Ye. ANGALYShEV

Samara State Technical University

Vladislav Alekseevich CEJZER

Samara State Technical University

References

Supplementary files