автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Разработка технологических схем обработки природных вод и отработанных регенерационных растворов ВПУ с выделением нерастворимых соединений

На правах рукописи

ЖУРАВЛЁВ СЕРГЕЙ ПАВЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОБРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД И ОТРАБОТАННЫХ РЕГЕНЕРАЦИОННЫХ РАСТВОРОВ ВПУ С ВЫДЕЛЕНИЕМ НЕРАСТВОРИМЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Специальность 05.23.04 - «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

к I

МОСКВА - 2006

Работа выполнена в Федеральном Государственном Унитарном Предприятии комплексном научно-исследовательском и конструкторско-технологическом институте водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии (ФГУП «НИИ ВОДГЕО»)

Научный руководитель.

кандидат технических наук Долгополов Павел Иванович

Официальные оппоненты.

доктор технических наук Малахов Игорь Александрович

кандидат технических наук Корабельников Владимир Матвеевич

Ведущая организация: ГПКиНИИ «СантехНИИпроект»

Защита состоится «07»июня 2006 г.

В «Ю30» часов на заседании диссертационного совета Д 303.004.01 при ФГУП «НИИ ВОДГЕО» по адресу:

Комсомольский проспект, 42, стр.2, Москва, Г-48, ГСП-2, 119992 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «НИИ ВОДГЕО»

т. (495) 245-97-87, факс (495) 245-96-27

Автореферат разослан «

»

2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н.

Ю.В.Кедров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современный этап развития российской экономики характеризуется значительной инвестиционной деятельностью, связанной со строительством новых и расширением действующих промышленных объектов К ним в первую очередь относятся предприятия топливно-энергетического комплекса, химической, фармацевтической, пищевой промышленности, а также коммунального хозяйства Производственная деятельность этих предприятий сопряжена с необходимостью потребления значительного количества воды различного качества. Зачастую общим требованием к водам промышленного назначения является отсутствие накипеобразующих ионов. Задача удаления данных веществ решается на водоподготовительных установках (ВПУ) промышленных предприятий, в основном реагентными или ионообменными методами.

Показатели работы установок удаления накипеобразующих ионов из воды весьма существенны, т к. от них зависит эффективность и экономичность эксплуатации последующих ступеней обработки, включающих современные высокотехнологические методы (ионный обмен, мембранные технологии и т.д.).

Применение реагентных методов сопряжено с образованием шламов, подлежащих обезвоживанию и последующему складированию.

Использование ионообменных методов влечёт за собой образование значительного количества минерализованных сточных вод, сброс которых без соответствующей обработки и утилизации минеральных компонентов не допускается природоохранными органами.

Схемы водоподготовки с предварительным реагентным умягчением воды характеризуются более высокими экологическими показателями по сравнению со схемами, где присутствует только ионный обмен или обратный осмос. Степенью оценки может служить критерий экологичное™, представляющий собой отношение количества поступающих на установку растворённых в воде веществ к общему количеству таких веществ, сбрасываемых с отработанными регенерационными растворами (ОРР). В несколько раз больший критерий экологичности для схем с реагентным умягчением обуславливает дальнейшие исследования по повышению эффективности реагентных методов обработки воды.

Одним из наиболее распространенных реагентных методов водоподготовки для промышленного водоснабжения в нашей стране является известкование воды. Однако, несмотря на его широкое применение и изученность, данный метод

требует дальнейшего усовершенствования в направлении повышения эффективности

удаления железа и органических веществ, а применяемое оборудование - модернизации

Традиционно для известкования используются осветлители со взвешенным слоем осадка Образующийся в осветлителях шлам состоит из карбоната кальция, гидроксида магния и гидроксида железа, имеет высокую влажность На зарубежных ВПУ, наряду с осветлителями, используются сооружения типа вихревого реактора (ВР). Основное преимущество ВР заключается в получении шлама карбоната кальция в твердом виде и с низкой влажностью.

В России ВР не нашли своего применения, хотя имеются отдельные описания метода кристаллизации карбоната кальция на загрузке и технологических параметров ВР с использованием извести для расчета в схемах ВПУ. Однако, технологические параметры ВР, работающих на извести, требуют уточнения. Для условий использования едкого натра необходимо определение технологических параметров. Определенный интерес представляет оценка влияния присутствующего в исходной воде железа на показатели работы ВР.

Область применения ВР ограничена обработкой природных вод. В то же время значительный интерес представляет изучение возможности расширения области применения ВР, в частности - для реагентного умягчения ОРР ионитовых фильтров. Данный вопрос является актуальным и требует дополнительной проработки для решения технологических схем реагентного умягчения.

Применение ионообменного умягчения воды необходимо рассматривать неразрывно с вопросами усовершенствования известных технологических решений по обработке ОРР ионообменных фильтров В частности, до настоящего времени проблемой остается утилизация вторичных отходов технологии, т е образующихся при обработке ОРР шламов. Практически все предлагаемые варианты решения данной проблемы предусматривают использование термических методов или дорогостоящих, сложных в эксплуатации сооружений. В результате их применения на ВПУ получают сухие шламы с низкой степенью влажности, состоящие из смеси солей карбоната кальция и гидроксида магния, дальнейшее использование которых затруднено. Поэтому раздельное получение указанных солей, предусмотренное в самой технологической схеме обработки ОРР, является актуальной задачей.

Кроме того, до настоящего времени не решена проблема утилизации содержащих антискаланты сбросных концентратов обратноосмотических установок (ООУ). Учитывая, что количество концентрата на ООУ от количества исходной воды составляет 20-40%,

актуален поиск технологии обработки и повторного использования сбросных концентратов.

Целью работы является разработка новых и усовершенствование известных технологических схем процессов умягчения природных вод и сбросных минерализованных растворов ВПУ с образованием малорастворимых соединений.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- на основе теоретических аспектов декарбонизации воды известкованием в осветлителе и свойств коагуляционной структуры шлама, предложен новый подход к организации процесса, позволяющий повысить эффективность удаления железа и органических веществ и улучшить седиментационные свойства шлама;

- впервые доказана возможность одновременного проведения в ВР процессов реагентного умягчения и обезжелезивания воды; определена область применения метода;

- предложен новый подход к осуществлению технологии обработки OPP Na-катионитовых фильтров путем раздельного выделения карбоната кальция и гидроксида магния с использованием щелочных реагентов; карбонат кальция выделяется в ВР, гидроксид магния - во флотаторе;

- разработан новый способ осаждения гидроксида магния из OPP Na-катионитовых фильтров, основанный на порционном вводе щелочных реагентов и позволяющий значительно повысить скорость стесненного осаждения взвеси;

- произведён теоретический расчёт и получена формула роста диаметра зёрен загрузки ВР в процессе реагентного умягчения ОРР Ыа-катионитовых фильтров; экспериментальные исследования подтверждают теоретические расчеты с допустимой степенью погрешности;

- на основе данных о растворимости сульфата кальция при различных температурах теоретически определена зависимость остаточного количества сульфатов в ОРР H-Na-катионитовых фильтров; полученные данные согласуются с результатами экспериментов.

Новизна разработок подтверждена тремя патентами РФ.

Практическая значимость работы заключается:

- в существенном улучшении качества обработанной на промышленных осветлителях воды по содержанию железа, перманганатной окисляемости и свойствам взвеси при декарбонизации воды известкованием;

- в получении результатов промышленной эксплуатации ВР;

- в расширении области применения ВР для реагентного умягчения природных вод и ОРР, а также улучшении технико-экономических показателей;

- в усовершенствовании технологических решений по обработке и утилизации ОРР Ыа и Н-катионитовых фильтров, позволяющих снизить затраты на обработку и оптимизировать решения схем утилизации твердых отходов технологии.

Внедрение результатов работ. Результаты исследований внедрены в промышленном масштабе на ГРЭС-5, ТЭЦ-12 АО «Мосэнерго», ОАО «Дорог обуж», мусоросжигательном заводе в п. Руднево МО.

Апробация работы основные материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научно-практическом семинаре ФГУП «НИИ ВОДГЕО» (Москва, декабрь 2004 г.) и на X международной конференции Клуба теплоэнергетиков «Флогистон» (п. Черноголовка, 2005 г.).

Публикации Основные положения диссертации опубликованы в 9-ти печатных изданиях, в том числе в 3-х патентах РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложений. Объём работы вместе со списком литературы и приложениями составляет 155 страниц, включая 37 рисунков и 25 таблиц Объём приложений 15 страниц. Список литературы содержит 115 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении" Показана актуальность проблемы разработки новых и усовершенствованию существующих технологических решений по обработке природных вод и сбросных минерализованных растворов ВПУ, связанных с образованием малорастворимых соединений.

В первой главе: представлен обзор существующих сооружений и технологий по реагентному умягчению природных вод и сбросных минерализованных растворов ВПУ

Наиболее распространенным на сегодняшний день сооружением для реагентного умягчения природных вод является осветлитель со взвешенным осадком конструкции ВТИ Модификация технологии известкования воды с коагуляцией в данном типе осветлителя, которая позволит повысить качество обработанной воды по концентрации

железа, органических веществ и улучшить седиментационные свойства взвеси, на сегодняшний день весьма актуальна

При рассмотрении технологических решений по обработке сбросных минерализованных растворов ВПУ выявлена необходимость раздельного выделения из этих растворов ионов жесткости в виде гидроксида магния, сульфата и карбоната кальция.

Перспективным сооружением для реагентного умягчения воды и минерализованных растворов является ВР, который позволяет получать отходы процесса -СаСОз, в виде крупки, не требующей дополнительного обезвоживания. Литературные данные касаются в основном изучения процесса декарбонизации и умягчения природных вод на модельных установках ВР. Что касается минерализованных сточных вод, то известен только опыт применения ВР для термохимического умягчения ОРР Н -катионитовых фильтров с кристаллизацией Са304 на загрузке. В изученной литературе отсутствуют данные по применению ВР для выделения СаС03 из ОРР, хотя процессы, происходящие при этом, аналогичны процессам, происходящим при декарбонизации природных вод, а использование данного сооружения представляется в значительной мере перспективным.

Использование флотатора может оказаться целесообразным в случае удаления ионов магния в виде М§(ОН)2 из воды или минерализованных сбросных растворов, что позволяет получить осадок с улучшенными водоотдающими свойствами.

В России отсутствует достаточный опыт применения ВР и флотаторов в промышленном масштабе при умягчении природных вод.

В литературных источниках выявлено значительное количество работ, повещённых выделению сульфата кальция из ОРР Н-Ка-катионитовых фильтров. Описаны технологии, предусматривающие обработку сульфатосодержащих ОРР в присутствии затравки и при повышенных температурах. В то же время отсутствуют данные по влиянию количества затравки на время снятия пересыщения ОРР по сульфату кальция и характеристики образующегося шлама.

В связи с вышеизложенным были поставлены следующие задачи:

- выполнить исследования по модернизации осветлителей при декарбонизации природных вод, направленные на решение проблемы эффективного удаления соединений железа и органических веществ, а также улучшения седиментационных свойств взвеси. Эту задачу предполагается решить как путем усовершенствования конструкции осветлителя, так и изменением технологических режимов обработки воды;

- уточнить производственные технологические параметры процесса умягчения природных вод в ВР при использовании извести, оценить эффективность обработки

воды, изучить изменение фракционного состава загрузки и её компонентов при эксплуатации ВР. исследовать зависимость процесса умягчения от концентрации едкого натра и содержания железа в исходной воде;

- разработать технологические схемы обработки ОРР натрий-катионитовых фильтров, предусматривающие использование перспективных сооружений - ВР и флотатора для раздельного получения малорастворимых компонентов шлама, оценить эти схемы в сравнении с известными вариантами;

- разработать технологические схемы обработки и повторного использования ОРР Н-Ыа-катионитовых фильтров с выделением отходов процесса в виде малорастворимых соединений. При этом предполагается оценить возможность выделения отдельных компонентов шлама и интенсификации процесса путем повышения температуры обработки раствора. Провести исследования с целью определения недостающих технологических параметров этих схем.

- экспериментально доказать принципиальную возможность осуществления процесса реагентного умягчения ОРР Ыа-катионитовых фильтров во флотаторе и ВР;

- разработать и исследовать технологию обработки сбросных минерализованных вод ООУ, предусматривающую их реагентное умягчение. При этом предполагается: доказать принципиальную возможность осуществления данного процесса при использовании ВР, выяснить влияние ингибитора отложений, содержащегося в концентрате, а также вида и дозы используемого щелочного реагента на эффективность умягчения указанного раствора;

разработать методику расчета предложенных технологических схем ВПУ с обработкой и повторным использованием ОРР. При этом предполагается произвести сравнение экономических показателей схем между собой и с традиционной ВПУ, технологическая схема которой предполагает сброс ОРР после его разбавления до норм ПДК.

Во второй главе описываются исследования по модернизации осветлителей, применяемых для умягчения природных вод. Предложено изменение конструкции осветлителей типа ВТИ путем использования двойного ввода исходной воды и применения каскадного водослива в воздухоотделителе.

Технология двойного ввода заключается в следующем коагулянт подаётся в трубопровод исходной воды, далее поток воды делился на две части; одна из них в размере 50-60 % обрабатывается лозой извести, рассчитанной на весь объем воды, вторая часть в размере 40-50% смешивается с первой без ввода каких-либо реагентов; после

смешения потоков весь объем воды обрабатывается в осветлителе обычным способом с разделением твердой и жидкой фаз.

При высоком содержании гидратов, обусловленном избытком извести, процесс гидролиза коагулянта протекает весьма эффективно, что способствует устойчивому снижению, как исходного содержания железа, так и вводимого с коагулянтом. Избыток извести способствует также тому, что часть ионов магния будет образовывать с ОН-группами гидроксид магния, который при рН>10,7 обладает положительным потенциалом подобно Ре(ОН)3. Знак заряда М§(ОН)2, а также значительная удельная поверхность (~20 м2/г) способствуют интенсивной сорбции органических загрязнений и взвешенных частиц, содержащихся в обрабатываемой воде

При испытаниях указанной технологии в производственных условиях на предочистке ГРЭС-5 АО «Мосэнерго» было определено, что разделение воды на потоки, вводимые на разном уровне осветлителя, и ввод коагулянта в конус сооружения позволяют' проводить декарбонизацию воды с получением регламентируемых показателей; обеспечить эффективное удаление органических веществ, коррелирующих с показателем цветности и перманганатной окисляемости; осуществлять эффективное обезжелезивание воды, не зависящее от колебаний дозы извести и коагулянта. При этом наблюдалось устойчивое снижение концентрации остаточного железа в обработанной воде на 50-90 %

Предложено также интенсифицировать обработку воды в осветлителе за счет усовершенствования воздухоотделителя и улучшения удаления выделяющихся пузырьков газа, мешающих процессу обработки.

В стандартном воздухоотделителе осветлителя газовые пузырьки недостаточно полно удаляются из воды в процессе её истечения через конусные раструбы вследствие ограниченности времени пребывания и неразвитости поверхности излива. В связи с этим предложено усовершенствовать воздухоотделитель путем применения каскадного водослива. Процесс газоотделения в каскадном водосливе достаточно интенсивен благодаря тому, что обеспечивается тонкослойное растекание воды и каскадирование потока.

Данное технологическое решение было осуществлено на ТЭЦ-12 АО «Мосэнерго». В модернизированном осветлителе наблюдалось повышение степени осветления на 15 %.

В третьей главе представлены исследования технологических параметров процесса умягчения природной воды в ВР.

Была поставлена задача определения влияния концентрации реагента и содержания соединений железа в исходной воде на процесс умягчения в ВР.

Экспериментальные исследования проводились на водопроводной насосной станции №1 г. Жуковского МО, где была смонтирована проточная стендовая установка производительностью 0,3 м3/ч. В состав установки входила модель ВР общей высотой 2400 мм и полезным объёмом 23,6 л. Время пребывания воды в ВР составляло ~5 минут. В качестве щелочного реагеша использовался раствор гидроксида натрия концентрацией 110%, подаваемый в ВР насосом-дозатором. В качестве загрузки использовался кварцевый песок 0,1-0,3 мм. Объем загрузки занимал 10% от полезного объема ВР.

Исходная вода имела следующие показатели: Т = 8° С; Feo6U = 0,3 мг/л; Ж^ = 11,4-12,5 мг-экв/л; Щобш = 6,9-7,0 мг-экв/л; Са2+ = 8,4-9,1 мг-экв/л; солесодержание = 990 мг/л. На рисунке 1 приведены результаты умягчения воды на стендовой установке. Первоначально была определена зависимость параметров процесса умягчения от дозы реагента. Щ —а— Са —рН

Дом NaOH, мг-экв/л

Рис. 1. Результаты умягчения воды на модели ВР

Из полученных данных следует, что процесс кристаллизации карбоната кальция идёт достаточно эффективно. Об этом свидетельствует постоянная величина ма1ниевой жёсткости.

Проводились эксперименты по определению оптимальной величины концентрации раствора №ОН, а также по оценке стабильности обработанной воды.

Для оценки стабильности воду после ВР фильтровали через слой карбоната кальция после чего оценивали изменение щёлочности воды ДЩ Результаты экспериментов приведены в таблице-1

Таблица-1 Качество умягчённой воды при различных концентрациях ЫаОН

Показатель качества обработанной воды Концентрация раствора ЫаОН

2% 4% 6% 8% 10%

РН 7,83 7,84 7,95 7,94 7,92

Общая жесткость, мг-экв/л 7,05 7,0 7,1 7,15 7,15

Са2*, мг-экв/л 4,2 4,2 4,2 4,32 4,3

Щелочность, мг-экв/л 5,1 5,1 5,08 5,14 5,2

ДЩ, мг-экв/л 0 0 0,1 0,15 0,24

Мутность, мг/л - - 0,39 0,94 1,89

Из приведённых данных следует, что при увеличении концентрации раствора

ЫаОН более 6 % повышается остаточная мутность обработанной воды и увеличивается ДЩ, т е. снижается ее стабильность.

Следующим этапом исследований была оценка влияния содержания железа на процесс умягчения воды в модели ВР. Содержание железа в обрабатываемой воде менялось путём смешения исходной и воды после фильтров обезжелезивания в различной пропорции. Дозирование №ОН осуществляли из условия получения нормированной жесткости обработанной воды в питьевом водоснабжении - 7 мг-экв/л. Данные приведены на рисунке 2.

012345678

Ре исх, ыг/л 1

I

Рис 2 Зависимость параметров умягчения от содержания железа

Из полученных данных следует, что при подготовке воды питьевого качества ВР можно применять без предварительного обезжелезивания в случае, если исходное содержание железа в воде не превышает 1-1,5 мг/л При этом железо в обработанной воде снижается до нормируемого показателя 0,3 мг/л и дополнительного ее обезжелезивания не требуется.

Были определены технологические параметры работы ВР в производственных условиях при пуско-наладочных работах на мусороперерабатывающем заводе в п Руднево МО В цехе ВПУ установлены два реактора производительностью 25 м3/ч. С 2003 года по настоящее время ВР находятся в промышленной эксплуатации. Потребление химочищенной воды заводом неравномерное и достигает 30 м3/ч. В работе постоянно находился один вихревой реактор.

Исходная вода подаётся из московского городского водопровода и имеет следующие показатели качества- Т = 30° С; Рео6щ = 0,3-0,5 мг/л; Жобщ = 3,0-4,0 мг-экв/л; Щ0бщ = 1,9-2,0 мг-экв/л; Са2+ = 2,0-3,1 мг-экв/л. В качестве реагента используется известковый раствор.

Первоначальная загрузка ВР перед пуском составляла 300 кг песка средней крупностью 0,215 мм. После 2-х месяцев работы вес загрузки увеличился в 2,8-3 раза, средняя крупность повысилась до 0,515 мм. Выгрузку крупной фракции загрузки из ВР осуществляли 1 раз в 2 недели Единовременно выгружали порядка 75-100 кг загрузки Данные по качественному составу отработанной загрузки ВР приведены в таблице-2. Таблица-2. Содержание компонентов в отработанной загрузке ВР

Показатели мг/г Са2\ мг/г М82\ мг/г

Количество 0,62 332,0 14,6

Полученные данные показывают, что основным соединением, кристаллизующимся на загрузке, является карбонат кальция.

Четвёртая глава посвящена разработке технологических схем обработки сбросных минерализованных растворов ВПУ. С использованием результатов обзора литературных источников были предложены оптимальные варианты технологических схем с раздельным выделением нерастворимых соединений кальция и магния.

Особенность темшло! ических решений является применение ВР для выделения СаС03 из раствора при его умягчении кальцинированной содой. При этом, как и для случая обработки природных вод, СаС03 должен выделяться в виде крупки диаметром 0,5-2 мм, поэтому не потребует дальнейшего обезвоживания перед транспортировкой автомашинами

Выделение гидроксида магния при обработке раствора едким натром может производиться в отстойнике периодического действия Однако, учитывая то, что этот продукт представляет собой очень легкую взвесь, целесообразно использовать для его выделения флотатор непрерывного или периодического действия.

На рисунке 3 представлена принципиальная схема утилизации ОРР Ыа -катионитовых фильтров с раздельным выделением гидроксида магния флотацией и карбоната кальция в ВР.

Рис 3. Принципиальная схема утилизации ОРР №-катионитовых фильтров. Принципиальная схема обработки и повторного использования концентрата ООУ для подпитки теплосети приведена на рисунке 4.

Концентрат ООУ предусматривается обрабатывать щелочью (»аОН или раствором извести), для снижения содержания катионов кальция. Особенностью данного процесса является наличие в обрабатываемом растворе «антискаланта», т.е. ингибитора отложений, который может препятствовать ныделению карбоната кальция.

После фильтрования на осветительном фильтре концентрат подкисляют кислотой для достижения остаточной щелочности 0,5-0,6 мг-экв/л с одновременным снижением значения рН и направляют в теплосеть с закрытым водоразбором.

По аналогии с Ыа-катионитовыми фильтрами для Н-Ыа-катионитовых фильтров разработана схема раздельного выделения сульфата кальция отстаиванием и гидроксида

В пятой главе описываются исследования процессов раздельного выделения малорастворимых компонентов при обработке сбросных минерализованных растворов ВПУ Целью исследований являлось определение основных технологических параметров процессов, происходящих при осаждении и флотации гидроксида магния, а также кристаллизации карбоната и сульфата кальция на загрузке.

Для экспериментов по осаждению и флотации М§(ОН)2 использовали ОРР от регенераций Ыа-катионитовых фильтров. Содержание компонентов в растворе было следующее, мг-экв/л: Са2+=355-132, \^2+=210-41, значение рН=6,85-7,15

Теоретически предполагалось, что при обработке ОРР наименьший объем осадка гидроксида магния и его максимальная плотность должны достигаться при дозировании

едкою натра в раствор небольшими порциями. Данная теоретическая предпосылка была использована при постановке задачи исследований.

Наблюдения за кинетикой осаждения взвеси гидроксида магния проводились в цилиндрах, объёмом 0,5 л. В цилиндры помещали исходный ОРР, затем добавляли 5%-ный раствор №ОН эквивалентно присутствующему в нем количеству магния. Перемешивание растворов осуществляли механической мешалкой. Раствор реагента дозировали единовременно и в течение 10, 20 и 40 минут. В таблице-3 представлены данные по свойствам взвеси \^(ОН)2.

Таблица-3. Свойства взвеси N^(04)2 полученной при различных режимах ввода №ОН.

Состав ОРР. мг - экв/л

Тип ОРР Са1 м8: рн Способ ввода N804 I а ? 1 5 и V ш § й-£ Скорость стесненного осаждения мм/с Объемная концентрация после 1 часа отстаивания Скорость стесненного осаждения с ПАА. мм/с Объемная концентрация с ПАА после 1 часа отстаивания

1 132,0 41,0 6 85 единовременно в течение 10 мнн в течение 20 мин в течение 40 мин 11.20 10,74 11,04 10,9 1 09 0,067 0 090 0 140 0,144 0,124 0 115 0,102 0,09 0,095 0 106 0,126 0,148 0,105 0,09 0.075 0,052

II 230 0 99,0 7 15 единовременно в течение 10 мнн в течение 20 мин в течение 40 мин 10,72 10,66 10,72 10,92 2,75 0 067 0,073 0 080 0 110 0.16 0.16 0.13 0,09 0,108 0,100 0,110 0.125 0.11 0,09 0,07 0,058

III 355,0 2100 6,95 единовременно в течение 10 мин в течение 20 мин в течение 40 мнн 11,0 10,85 10,95 10,83 5 95 0 062 0,074 0 080 0,105 0.32 0,30 0,23 0,165 0 07 0,097 0 085 0 114 0,185 0,150 0,110 0099

Были проведены также эксперименты с вводом анионного флокулянта -полиакриламида (ПАА), его вводили в виде 0,1%-ного раствора одновременно с ШОН в количестве 0,0005 от расчетного количества образующейся взвеси.

Фильтрационные характеристики осадков после 60 минут отстаивания, полученных различными способами, представлены в таблице-4. Из полученных данных следует, что для улучшения свойств взвеси и осадка необходимо как порционное дозирование извести, так и использование флокулянта.

При исследовании параметров процесса флотации М§(ОН)2 использовали аналогичные ОРР. В экспериментах использовался принцип напорной флотации Давление насыщения в сатураторе варьировали в диапазоне от 0,3 до 0,8 МПа, а количество водо-воздушной смеси от 25 до 100 %, для поиска оптимальной величины. На основании проведенных исследований было установлено, что продолжительность пребывания ОРР во флотационной камере для всех типов растворов

должна быть около 15-20 минут, при этом давление насыщения должно быть не менее 0,4 МПа, а количество водо-воздушной смеси колеблется от 60 до 90 %.

Таблица-4 Фильтрационные характеристики М£(ОН)2, полученного различными способами

Структура Время Влажность, Удельное

Способ обработки Мг(ОН)2 отстаивания % сопротивление

(возраст пены), фильтрации,

ч. см/г.

Отстаивание обычное осадок 1,0 98 550 10'°

Отстаивание после осадок 1,0 94 420-Ю10

порционного ввода ЫаОН 10,0 91

Отстаивание после осадок 1,0 91 309 10ю

порционного ввода №ОН 10,0 89

в присутствии ПАА

Флотация пена 1,0 90 15610'°

10,0 85

В таблице-4 приведены фильтрационные свойства пены. Таким образом, пена имеет улучшенные фильтрационные характеристики по сравнению с осадком, что свидетельствует о перспективности использования метода флотационного выделения гидроксида магния

Для выделения карбоната кальция из сбросных минерализованных растворов ВПУ и концентрата ООУ была смонтирована стендовая установка с применением ВР, представленная на рисунке 6. Раствор ОРР в экспериментах применялся после стадии флотационной очистки от ионов магния.

Емкость с раствором Ма9СО,

Воронка

Осеетлительный 1 фильтр

Рис. 6. Стендовая установка с ВР

В процессе экспериментов изменяли время контакпа ОРР с загрузкой за счёт изменения объёма реактора, дозу кальцинированной соды варьировали от 100 до 15%, исследовали интенсивность увеличения диаметра зёрен загрузки.

Исследования показали, что кристаллизация карбоната кальция на загрузке интенсивно идёт в течение 6-7 минут, при этом уменьшается мутность ОРР. При дальнейшем контакте снижение мутности незначительно. Так же значительное снижение мутности наблюдается при 4-х последовательных обработках I и II типа ОРР, когда доза реагента в каждом цикле составляет 'А от полной. В дальнейшем снижение мутности уменьшается Таким образом, многократная обработка ОРР в ВР с целью снижения остаточной мутности более выгодна для высококонцентрированных растворов.

Теоретически была выведена формула роста эквивалентного диаметра загрузки:

D3l = Оэ ■ ф + 101-Жс*-Г„-Эс, г ммз (1)

V У.'Рса

где, D, - первоначальный эквивалентный диаметр зёрен загрузки, мм; ЖСа -кальциевая жёсткость раствора ОРР, г-экв/м3; Vp - объём пропущенного через реактор ОРР, м3; Э(а - эквивалентная масса СаСОз; 0.9 - коэффициент, учитывающий межзерновое пространство; V, - объём засыпанной загрузки, мм3; р(а - плотность кристаллического CaCO,, т/м3.

Для проверки теоретического расчета эквивалентного диаметра загрузки в ВР (формула 1) были проведёны эксперименты по «наращиванию» загрузки После пропуска через ВР каждого типа ОРР загрузку извлекали и рассеивали на ситах для определения D3.

Сравнение теоретических величин увеличения D3, после пропуска заданного объёма ОРР, определённых по формуле 1, со значениями D3, полученными путём рассева загрузки приведено в таблице-5.

Таблица-5. Сравнение теоретических и опытных величин D3

Загрузка Значение Dj, мм

теоретическое опытное

исходная 0,218 0,218

после пропуска I типа ОРР 0,300 0,295

после пропуска II типа ОРР 0,340 0,331

после пропуска III типа ОРР 0,370 0,361

Из таблицы видно, что опытное значение Дэ несколько меньше, чем теоретическое По-видимому, это объясняется тем, что в процессе эксперимента часть карбоната кальция выносится из реактора, повышая мутность обработанного раствора. Однако, теоретические и опытные данные близки по значению, что подтверждает правильность формулы 1.

Концентрат ООУ для проведения экспериментов по его умягчению был получен на промышленной установке производительностью 50 л/ч пермеата Электропроводность пермеата составляла 2-3 мкСм/см Коэффициент концентрирования установки - 2,5 В качестве антискаланта использовался «У1ТЕС 3000». Концентрат из ООУ направлялся на ВР. где происходило его умягчение В качестве реагентов опробованы раствор №ОН и известковое молоко, опытным путём установлены оптимальные дозы реагентов.

При использовании полученных данных построен график снижения кальциевой жесткости в зависимости от дозы антискаланта (рисунок 7).

2

А I-

о о

и

1 к а

в с

• - Доза №ОН - 6,8 мг-экв/л

-Доза Са(ОН)2 -16 мг-экв/л

Доза антискаланта, мг/л

Рис. 7. Эффективность умягчения концентрата ООУ в ВР Из полученных данных следует, что реагентным умягчением концентрата ООУ в ВР можно снизить концентрацию ионов Са2+ в этом растворе до 2,0-3,0 мг-экв/л при соответствующем понижении щелочности. Применением подкисления можно снизить его щелочность до 0,5 мг-экв/л С учетом этого карбонатный индекс концентрата может быть понижен с 175 (мг-экв/л)2 до 1,0-1,5 (мг-экв/л)2, что позволяет использовать его в качестве подпиточной воды закрытой системы теплоснабжения с температурой нагрева до 130°С.

При использовании обработанного концентрата в качестве подпиточной воды теплосети необходимо контролировать предельную величину сульфатно-кальциевой жёсткости При необходимости снижения сульфат-ионов в обработанном растворе, серная кислота, применяемая для подкисления, может быть замена на соляную кислоту

Исследован процесс выделения сульфата кальция из ОРР Н-Ыа-катионитовых фильтров.

Равновесное содержание ионов кальция и сульфатов в растворе может быть определено из условия:

ПРCaSOJ =f2 ' СCa ■ CsQ4 . (2)

где: iJPcasoj ~ произведение растворимости сульфата кальция, /- коэффициент активности двухвалентных ионов, Ссф Csoj - концентрации соответствующих ионов в растворе при равновесном состоянии, г-ион/л.

Однако для высококонцентрированных растворов, которыми являются ОРР рассматриваемых фильтров, теоретический расчет равновесного состояния компонентов вызывает определенные затруднения. Следует также учитывать и то, что раствор, содержащий сульфат кальция в концентрации выше его растворимости может находиться в пересыщенном состоянии значительное время, которое тем больше, чем меньше состояние пересыщения.

В связи с этим исследовался процесс снятия пересыщения по сульфату кальция в присутствии затравки. Эксперименты проводили в литровых цилиндрах на имитатах, а затем полученные результаты проверяли на реальных ОРР H-Na-катионитовых фильтрах. Измеряли скорость стеснённого осаждения и объёмную концентрацию взвеси.

Установлено, что с увеличением исходной минерализации ОРР от 100 мг-экв/л до 500 мг-экв/л остаточное содержание сульфата кальция в этом растворе возрастает с 46 мг-экв/л до 64 мг-экв/л.

При увеличении дозы затравки от 5 до 20 г/л время достижения равновесного состояния раствора по сульфату кальция снижается от 30 до 10 минут.

При снижении количества твердой фазы от 35,3 до 5,5 г/л скорость стесненного осаждения увеличивается с 0,094 мм/с до 0,58 мм/с.

Использование ПАА приводит к получению более плотного шлама сульфата кальция, объемная концентрация которого при этом зависит от качества исходного ОРР и дозы затравки, и составляет 0,06-0,28. Концентрация твердой фазы в осадке сульфата кальция после 2-х часов его уплотнения в среднем составляет 150 г/л.

В шестой главе на примере ВПУ производительностью 100 м3/ч произведен расчет технико-экономических показателей технологии Ыа-катионирования. Для осуществления расчета основных технико-экономических характеристик разработана программа в среде Excel. Просчитывались варианты: с разбавлением ОРР исходной водой до ПДК: с обработкой ОРР в отстойниках известью и содой; с обработкой ОРР в отстойниках едким натром и содой; с обработкой ОРР едким натром и содой во флотаторе и BP Основные исходные данные для расчета экономических показателей технологии очистки ОРР приведены в таблице-6.

Таблица-6. Исходные данные для расчета экономических показателей

Наименование Величина

Кальциевая жесткость исходной воды, мг-экв/л 4

Магниевая жесткость исходной воды, мг-экв/л 1,2

Содержание хлоридов в исходной воде, мг/л 20,00

Производительность водоподготовки, м3/ч 100

Удельный расход соли на регенерацию, г/г-экв 170

ПДК сброса по хлоридам, мг/л 350

Цена поваренной соли, руб/т 649

Цена технической извести, руб/т 6133

Цена технической соды, руб/т 6224

Цена едкого натра в пересчете на 100 % продукт, руб/т 9000

Удельная стоимость оборудования для очистки стоков, руб за 1 м3 объема 22000

Коэффициент окупаемости капвложений 0,15

Удельная стоимость утилизации шлама, руб/т 100

Удельная стоимость утилизации шлама принята условно одинаковая для всех технологий, на практике она может значительно различаться в зависимости от влажности получаемого осадка и возможности его дальнейшего использования.

Расчет показал следующее'

- затраты на реагенты при обработке сточных вод сравнимы с затратами на поваренную соль без такой обработки при использовании чистой соли стоимостью 20002300 руб/т;

- применение обработки ОРР экономически оправдано при суммарной стоимости исходной воды и сбросов в канализацию более 1,0 руб/м3 (рисунок 8);

Сум ма себестоимости исходной водо и сброса стоков в канализацию, руб/м 3

- Без обработки ст вод

- С известково-содовой обработкой сточных вод

*--С обработкой едким натром и содой

-■-С обработкой едким натром и содой в вихревом реакторе и флотаторе

Рис. 8. Затраты на утилизацию или сброс ОРР при разных схемах

- применение для обработки ОРР едкого натра при принятых ценах на реагенты экономически более выгодно, чем извести;

- технология обработки ОРР с использованием BP и флотатора для раздельного получения компонентов шлама экономически оправдана При полезном использовании получаемых компонентов, эффективность указанной технологии значительно возрастает.

В приложениях приведены рекомендации на проектирование технологической схемы умягчения природной воды ВНС-1 г. Жуковского МО., примеры расчёта схем обработки сбросных минерализованных растворов ВПУ и пример расчёта в среде Excel схем обработки ОРР ВПУ.

Общие выводы:

1 В результате произведённых теоретических и экспериментальных исследований установлена возможность интенсификации процесса известкования природной воды в осветлителях с использованием технологии двойного ввода исходной воды и применения каскадного водослива в воздухоотделителе.

2 Определены основные параметры работы вихревого реактора, применяемого для умягчения водопроводной воды с использованием известкового раствора и щелочи. Установлено, что применение BP без предварительного обезжелезивания оправдано при содержании железа в исходной воде до 1,5 мг/л.

3. Разработаны схемы обработки и использования концентрата ООУ, а также ОРР Na-кэтионитовых и Н-Ыа-катионитовых фильтров Для облегчения утилизации твердых отходов технологии предложено осуществлять раздельное получение гидроксида магния, карбоната и сульфата кальция с использованием флотатора, вихревого реактора, кристаллизатора сульфата кальция. Рассмотрена схема с выделением из раствора сульфата кальция при высоких температурах, показано, что такая схема позволяет снизить остаточное содержание сульфатов в обрабатываемом растворе до 100 мг/л.

4 Экспериментально подтверждена возможность обработки ОРР щелочью с выделением гидроксида магния отстаиванием или флотацией. Получены основные технологические параметры данных процессов, намечены методы их интенсификации: путем ввода щелочи в раствор несколькими порциями и применением ПАА.

5. Доказана возможность обработки ОРР и концентрата ООУ в BP с выделением карбоната кальция.

6. Выяснено, что наличие «ингибитора отложений» в обрабатываемом в BP растворе приводит к росту остаточного содержания Са2+ до 2,0-3,0 мг-экв/л против 0,670,9 мг-экв/л в отсутствии этого реагента.

7 Исследован процесс выделения сульфата кальция из ОРР Н-Ыа-катионитовых фильтров, определены его основные технологические параметры

8 На примере ВПУ производительностью 100 м3/ч произведен расчет технико-экономических показателей технологии Ыа-катионирования, который показал, чго применение обработки ОРР выгодно при суммарной стоимости исходной воды и сбросов в канализацию более 1,0 руб/мл При этом использование ВР и флотатора в технологии обработки ОРР экономически оправдано

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Патент на изобретение № 2257252. Осветлитель воды (варианты) Амосова Э Г., Долгополов П.И., Журавлев С.П. и др. Приоритет от 23.10.03.

2 Амосова Э.Г, Долгополов П.И, Журавлёв С П. и др. Современные подходы к выбору технологии подготовки воды для подпитки теплосети и питания котлов низкого и среднего давления // Сборник научных трудов НИИ ВОДГЕО. Очистка и кондиционирование природных вод. - 2004. - вып. 5. - с. 65-75.

3. Патент на полезную модель № 47766 Осветлитель природных вод. Амосова Э Г., Долгополов П.И., Журавлев С.П. Приоритет от 14.01.05.

4. Амосова Э.Г., Долгополов П.И., Журавлев С П. и др. К вопросу об обработке и утилизации отработанных регенерационных растворов натрий-катионитовых фильтров. // Сборник докладов «Флогистон». - М. - 2005. - с. 15-18.

5 Амосова Э. Г., Долгополов П. И., Журавлев С. П. и др Обобщение результатов промышленной эксплуатации вихревых реакторов и противоточных натрий-катионитовых фильтров // Сб. докладов «Флогистон». - М. - 2005. - с. 24-28.

6. Амосова Э. Г., Долгополов П. И., Журавлев С. П. Исследования процесса выделения сульфата кальция и гидроксида магния из отработанных регенерационных растворов катионитных фильтров // ВСТ. - 2005. - №5. - с. 29-35.

7. Решение о выдаче патента РФ на изобретение № 2005114564/(016705) Способ очистки подземных вод от железа, марганца и солей жёсткости. Журба М.Г., Говорова Ж.М., Журавлёв С.П. и др. Приоритет 14.05.2005.

8. Амосова Э.Г., Долгополов П.И., Журавлев С. П. Реагентное умягчение природной воды в вихревых реакторах // Электрические станции - 2005. - №9. - с 23-29

9. Долгополов П. И., Журавлёв П. И., Журавлёв С. П. Обработка и утилизация сточных вод водоподготовительных установок // ВСТ. - 2006. - № 2. - с. 33-39.

i

I

г

66 96 -tf

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Анализ существующих технологических решений по реагентному умягчению природных вод.

1.1.1. Умягчение воды в осветлителях.

1.1.2. Обработка воды в вихревых реакторах.

1.1.3. Обработка воды во флотаторах.

1.2. Анализ технологических решений по обработке минерализованных сточных вод ВПУ с получением малорастворимых соединений.

1.2.1. Обработка сточных вод Na-катионитовых фильтров, регенерируемых хлоридом натрия.

1.2.2. Обработка сточных вод Н-катионитовых фильтров и натрий-катионитовых фильтров, регенерируемых сульфатом натрия.

1.2.3. Обработка сбросных растворов установок обратного осмоса.

Выводы к главе 1.

2. ИССЛЕДОВАНИЯ ПО МОДИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА УМЯГЧЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД В ОСВЕТЛИТЕЛЯХ.

2.1. Экспериментальные исследования.

Выводы к главе 2.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УМЯГЧЕНИЯ ПРИРОДНОЙ ВОДЫ В ВИХРЕВОМ РЕАКТОРЕ.

3.1. Экспериментальные исследования на стендовой установке.

3.2. Экспериментальные исследования в производственных условиях. 61 Выводы к главе 3.

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ОБРАБОТКИ СБРОСНЫХ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ РАСТВОРОВ ВПУ.

4.1. Общие принципы разработки схем.

4.2. Технология обработки ОРР Na-катионитовых фильтров при совместном выделении СаСОз и Mg(OH)2.

4.3. Технология обработки ОРР Na-катионитовых фильтров при раздельном выделении СаС03 и Mg(OH)2.

4.4. Технология обработки ОРР Н-катионитовых фильтров.

4.5. Технология обработки ОРР Н-катионитовых фильтров при повышенной температуре.

4.6. Технология обработки концентрата ООУ.

Выводы к главе 4.

5. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ВЫДЕЛЕНИЯ МАЛОРАСТВОРИМЫХ КОМПОНЕНТОВ ПРИ ОБРАБОТКЕ СБРОСНЫХ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ РАСТВОРОВ ВПУ.

5.1. Выделение из ОРР гидроксида магния.

5.1.1. Экспериментальные исследования по выделению гидроксида магния отстаиванием.

5.1.2. Экспериментальные исследования по выделению гидроксида магния флотацией.

5.2. Выделение карбоната кальция из сбросных минерализованных растворов ВПУ.

5.2.1. Экспериментальные исследования по выделению карбоната кальция из ОРР.

5.2.2. Экспериментальные исследования по выделению карбоната кальция из концентрата ООУ.

5.3. Выделение из ОРР сульфата кальция.

5.3.1. Экспериментальные исследования.

Выводы к главе 5.

6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ СХЕМ

ОБРАБОТКИ ОРР.

Выводы к главе 6.

Актуальность работы. Современный этап развития российской экономики характеризуется значительной инвестиционной деятельностью, связанной со строительством новых и расширением действующих промышленных объектов. К ним в первую очередь относятся предприятия топливно-энергетического комплекса, химическая, фармацевтическая, пищевая промышленность, а также коммунальное хозяйство. Производственная деятельность этих предприятий сопряжена с необходимостью потребления большого количества воды различного качества. Зачастую общим требованием, выдвигаемым к этим водам, является отсутствие накипеобразующих ионов. Данная задача решается на ВПУ промышленных предприятий, где в основном применяют реагентные или ионообменные методы очистки воды.

Использование этих методов влечёт за собой образование значительного количества отходов: минерализованных сточных вод или шламов, сброс которых без соответствующей обработки и утилизации минеральных компонентов не допускается природоохранными органами [1, 2, 3].

Показатели работы стадии реагентной обработки воды весьма существенны, т. к. от них зависит эффективность и экономичность эксплуатации последующих ступеней очистки, включающих современные высокотехнологические методы (ионный обмен, мембранные технологии, обеззараживание и т.д.).

Одним из наиболее распространенных реагентных методов водоподготовки для промышленного водоснабжения в нашей стране является известкование воды. Однако, несмотря на его широкое применение и изученность, данный метод требует дальнейшего усовершенствования в направлении повышения эффективности удаления железа и органических веществ, а применяемое оборудование - модернизации.

Традиционно для известкования используются осветлители со взвешенным слоем осадка. Образующийся в осветлителях шлам состоит из карбоната кальция, гидроксида магния и железа, имеет высокую влажность и требует обезвоживания перед складированием. На зарубежных ВПУ, наряду с осветлителями, используются сооружения типа BP. Основное преимущество BP заключается в получении шлама карбоната кальция в твердом виде и с низкой влажностью.

В России BP не нашли своего применения, хотя имеются отдельные описания метода кристаллизации карбоната кальция на загрузке и технологических параметров BP для расчета в схемах ВПУ. Однако, технологические параметры требуют уточнения в условиях использования различных реагентов - едкого натра и известкового раствора.

Область применения BP ограничена обработкой природных вод. В то же время значительный интерес представляет изучение возможности расширения области применения BP, в частности - для реагентного умягчения ОРР ионитовых фильтров. Данный вопрос является актуальным и требует дополнительной проработки для решения технологических схем реагентного умягчения.

Применение ионообменного умягчения воды необходимо рассматривать неразрывно с вопросами усовершенствования известных технологических решений по обработке ОРР ионообменных фильтров. В частности, до настоящего времени проблемой остается утилизация вторичных отходов технологии, т. е. образующихся при обработке ОРР шламов. Практически все предлагаемые варианты решения данной проблемы предусматривают использование термических методов или дорогостоящих, сложных в эксплуатации сооружений. В результате их применения на ВПУ получают сухие шламы, состоящие из смеси солей карбоната кальция и гидроксида магния, дальнейшее использование которых проблематично. Поэтому раздельное получение указанных солей, предусмотренное в самой технологической схеме обработки ОРР, является актуальной задачей.

Кроме того, до настоящего времени не решена проблема утилизации, содержащих антискаланты, сбросных концентратов ООУ. Учитывая, что на действующих обратноосмотических установках фактические расходы воды на собственные нужды составляют 20-40%, существует актуальность обработки и использования сбросных концентратов.

Целью работы является разработка новых и усовершенствование известных технологических схем и процессов умягчения природных вод и сбросных минерализованных растворов ВГГУ с образованием малорастворимых соединений.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- на основе теоретических аспектов декарбонизации воды известкованием в осветлителе и свойств коагуляционной структуры шлама, предложен новый подход к организации процесса, позволяющий повысить эффективность удаления железа и органических веществ и улучшить седиментационные свойства шлама;

- впервые доказана возможность проведения в BP процессов реагентного умягчения и обезжелезивания воды; определена область применения метода;

- предложен новый подход к осуществлению технологии обработки ОРР Na-катионитовых фильтров путем раздельного выделения карбоната кальция и гидроксида магния с использованием щелочных реагентов; карбонат кальция выделяется в BP, гидроксид магния - во флотаторе;

- разработан новый способ осаждения гидроксида магния из ОРР Na-катионитовых фильтров, основанный на порционном вводе щелочных реагентов и позволяющий значительно повысить скорость стесненного осаждения взвеси;

- произведён теоретический расчёт и получена формула роста диаметра зёрен загрузки BP в процессе реагентного умягчения ОРР Na-катионитовых фильтров; экспериментальные исследования подтверждают теоретические расчеты с допустимой степенью погрешности; 8

- на основе данных о растворимости сульфата кальция при различных температурах теоретически определена зависимость остаточного количества сульфатов в ОРР H-Na-катионитовых фильтров; полученные данные согласуются с результатами экспериментов.

Новизна разработок подтверждена тремя патентами РФ.

Практическая значимость работы заключается:

- в существенном улучшении качества обработанной воды по содержанию железа и перманганатной окисляемости при умягчении воды известкованием в осветлителях;

- в получении результатов промышленной эксплуатации BP;

- в расширении области применения вихревых реакторов для реагентного умягчения природных вод и отработанных регенерационных растворов, а также улучшении технико-экономических показателей;

- в усовершенствовании технологических решений по обработке и утилизации регенерационных сточных вод Na и Н-катионитовых фильтров, позволяющих снизить затраты на обработку и оптимизировать решения схем утилизации твердых отходов технологии.

Внедрение результатов работ. Результаты исследований внедрены в промышленном масштабе на ГРЭС-5 и ТЭЦ-12 АО «Мосэнерго», ОАО «Дорогобуж», Мусоросжигательном заводе в п. Руднево МО.

Апробация работы: основные материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научно-практическом семинаре НИИ «ВОДГЕО» (Москва, декабрь 2004 г.) и на X международной конференции Клуба теплоэнергетиков «Флогистон» (п. Черноголовка, апрель 2005 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6-ти печатных изданиях, получен патент на изобретение и 2 патента на полезную модель.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате произведённых теоретических и экспериментальных исследований установлена возможность интенсификации процесса известкования природной воды в осветлителях с использованием технологии двойного ввода исходной воды и применения каскадного водослива в воздухоотделителе.

Определены основные параметры работы вихревого реактора, применяемого для умягчения водопроводной воды с использованием известкового раствора и щелочи. Установлено, что применение BP без предварительного обезжелезивания оправдано при содержании железа в исходной воде до 1,5 мг/л.

Разработаны схемы обработки и использования концентрата ООУ, а также ОРР Na-катионитовых и Н-катионитовых фильтров. Для облегчения утилизации твердых отходов технологии предложено осуществлять раздельное получение гидроксида магния, карбоната и сульфата кальция с использованием флотатора, вихревого реактора, кристаллизатора сульфата кальция. Рассмотрена схема с выделением из раствора сульфата кальция при высоких температурах, показано, что такая схема позволяет снизить остаточное содержание сульфатов в обрабатываемом растворе до 100 мг/л.

Экспериментально подтверждена возможность обработки ОРР щелочью с выделением гидроксида магния отстаиванием или флотацией. Получены основные технологические параметры этих процессов, намечены методы их интенсификации: путем увеличения продолжительности ввода щелочи и применением ПАА.

Доказана возможность обработки ОРР и концентрата ООУ в BP с выделением карбоната кальция.

Выяснено, что наличие «антискаланта» в обрабатываемом в BP растворе I приводит к росту остаточного содержания Са до 2,0-3,0 мг-экв/л против 0,670,9 мг-экв/л в отсутствии этого реагента.

Исследован процесс выделения сульфата кальция из ОРР H-Na-катионитовых фильтров, определены его основные технологические параметры.

На примере ВПУ производительностью 100 м3/ч произведен расчет технико-экономических показателей технологии Na-катионирования, который показал, что применение обработки ОРР выгодно при суммарной стоимости исходной воды и сбросов в канализацию более 1,0 руб/м3, а также то, что технология обработки ОРР с использование BP и флотатора экономически оправдана.

1. СанПиН 2.1.5.980-00. Водоотведение населённых мест, санитарная охрана водных объектов. Гигиенические требования к охране поверхностных вод. М.: Минздрав России. - 2000. - с. 6-24.

2. Методические указания по разработке предельно допустимых сбросов вредных веществ на поверхностные водные объекты. М.: Министерство природных ресурсов РФ и Государственный комитет РФ по охране окружающей среды. - 1999. - с. 3-19.

3. РД 153-34.0-02.405.99. Методические указания по нормированию сбросов загрязняющих веществ со сточными водами тепловых электростанций.- М.: ВТИ. 2000. - с. 3-20.

4. Первов А.Г., Бондаренко В.И. Установки обратного осмоса в схемах подготовки воды для паровых котлов // Водоснабжение и санитарная техника. -2005.-№7.-с. 17-23.

5. Клячко В.А., Апельцин И.Э. Очистка природных вод. М.: Стройиздат. - 1971.- с. 13-28,335.

6. Гутникова Р. И., Амосова Э. Г., Берелович А. X. Процесс декарбонизации вод повышенного солесодержания известкованием // ВСТ. -1995.-№ 11.-с. 20-22.

7. Кострикин Ю. М. Об экологичности технологии водоприготовления // Электрические станции. 1991. - № 7. - с. 12-15.

8. Перечень предельно допустимых концентраций и ориентировочно безопасных уровней воздействия вредных веществ для воды рыбохозяйственных водоёмов. Комитет Российской Федерации по рыболовству. М.: 1995. - с. 142, 162.

9. Кургаев А.Ф. Основы теории и расчета осветлителей. М.: Стройиздат. - 1962. - 164 с.

10. Кишневский В. А. Современные методы обработки воды в энергетике.- Одесса.: «ОГПУ» . 1999г., с. 33, 47 - 52.

11. Панченко В. В., Ходырев Б. Н., Федосеев Б. С. и др. Исследование процессов известково-едконатрового умягчения природных вод // Энергетик. — 1992. -№ 11.-с. 23-26.

12. Кургаев А.Ф. Осветлители воды. М.: Стройиздат. - 1977. - с. 22-30, 112-119.

13. Строительные нормы и правила. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. М.: Госкомитет СССР по делам строительства. - 1985.-разд. 6.11-6.14, прил.7, 12.

14. Копылов А.С. Водоподготовка в энергетике. М.: Изд. МЭИ. - 2003. -с.73-77, 229-230.

15. Солодянников В.В. Расчёт и математическое моделирование процессов водоподготовки. М.: Энергоатомиздат. - 2003. - с. 74-76, 250.

16. Берелович А.Х. Интенсификация процессов ,-реагентного умягчения природных вод с использованием флокулянтов: Дисс. . канд.техн.наук. -Ташкент, 1989.-199 с.

17. Тимченко Н.Ф., Андзауров В.Б. Повышение эффективности осветлителей, работающих в режиме известкования и коагуляции // Электрические станции. 1974. - № 2. - с. 82-83.

18. Пытыгина Л.Д. Опыт модернизации осветлителей ВТИ-1000 // Энергетик. 2002. - № 5. - с. 35-36.

19. Авт. свид. на изобретение СССР № 647256 М.кл. В 01D 21/02 от 04.05.77, опубл. 15.02.79.

20. Патент на изобретение США US 5770078 МПК B01D 21/00, от 04.10.96, опубл. 23.06.98, ИСМ №13, 1999г.

21. Дегремон. Технические записки по проблемам воды. Перевод с англ. — М.: Стройиздат. 1983. - Т.1. - с.158, 163, 556.

22. Кузнецова Е.В., Старцев В.И., Роговой В.А. и др. Опыт совершенствования действующей предочистки ВПУ // Энергетик. 2002. - № 5.-с. 34.

23. Современные технологии и оборудование для обработки воды на водоочистных станциях. Департамент жилищно-коммунального хозяйства Госстроя России. НИИ КВОВ. М.: 1997. - с.42.

24. Панченко В.В., Храмчихин A.M., Чернышёв Е.В. и др. Первые результаты эксплуатации осветлителя новой конструкции с рециркуляцией шлама // Энергетик. 2001. - № 4. - с. 32-33.

25. Козлов И.М., Ткачёва Л.Н., Федосеев Б. С. и др. Внедрение осветлителя новой конструкции ОРАШ-ЗОО на ТЭЦ-22 // Электрические станции.-2000.-№ 11.-е. 53-55.

26. Хаммер М. Технология обработки природных и сточных вод. Пер. с англ. М.: Стройиздат. - 1979. - с. 226-228.

27. Метод раздельного содо-известкового умягчения воды. Split-treaTment lime softening rednces operating costs ft. Roskoph Rodert, Cleasby Johu Z. // Water and Sewege Works. 1967. - Vol.l 14. -N12. -p.477- 480. Англ.

28. Панченко В. В., Ходырев Б. Н., Федосеев Б. С. и др. Исследование процессов известково-едконатрового умягчения природных вод // Энергетик. -1992.-№ 11.-е. 23-26.

29. Квятковский В. М. Баулина А. И. Руководящие указания по известкованию воды на электростанциях. М.: 1973. - с. 30-32.

30. Кульский JI.A. Теоретические основы и технология кондиционирования воды. Киев.: Наукова думка. - 1983. - с. 389.

31. Натанов Х.Х. Подготовка геотермальных вод к использованию. М.: Стройиздат. - 1980. - с. 40-45.

32. Ушаков Л.Д., Нашвильева Т.В. Умягчение минерализованных вод в вихревых реакторах с применением едкого натра // Сб. Трудов ин-та ВОДГЕО. Опреснение минерализованных вод. 1987. - с. 52.

33. Агеев Ф.Г. Плысьнюк А.А., Василюк JI.M. и др. Декарбонизация и осветление технической воды в аппаратах с ожиженным слоем зернистых центров // «Журнал прикладной химии» . 1979. - Т. 1. - № 1. - с. 95.

34. Tambo Norihito. Кинетическое исследование умягчения воды в реакторе псевдоожиженного слоя. Syido kekaici dzassi. Water Works Association.: 1988. - Vol. 57. -№ 7. - p. 10-20.

35. Умягчение воды в реакторе «Гиразюр». Пример использования на установке по обработке питьевой воды. ВЦП. № М-03772, М, 3.03.86, с. 13. -Пер. ст. Vital J.Z., Richard J. Ееа ind nuisauces. - 1983. - № 78. - s. 85-89. Франц.

36. Проблемы умягчения воды в Амстердаме. ВЦП. № Р-09092. М., 19.04.88, с. 16. - Пер. ст. Graveland А. и журн. Tijdschrift voor waterbehandeling en afValwaterbehandeling. - 1987. - Vol. 20. - № 13. - p. 290-294. Нидер.

37. Централизованное умягчение воды методом кристаллизации в псевдоожиженном слое. ВЦП. № Т-05772, М., 05.04.90, с. 22 с. Пер. ст. из журн. American Water Works Association. - 1988, Vol. 80, № 6, p. 51-58. Англ.

38. Долгополов П.И. Разработка технологических схем реагентного умягчения природных вод для целей хозяйственно питьевого водоснабжения: Автореф. дисс. . канд.техн.наук. - М. - 1992. -27 с.

39. Calling carbonate hekahydrate its properties and formation in lime soda softening // Slach J. G. Water Ressarch. - 1980. - Vol. 14. - p. 799-804. Англ.

40. Исследовать возможность применения напорной флотации для интенсификации процессов реагентного умягчения воды: Отчёт о НИР / Всесоюзн. научн. иссл. ин-т ВОДГЕО. Ташкент. -1981.-е. 26-27, 69.

41. Патент 02F9/04 RU № 0002211190. Способ обработки технологической воды. Рампотас Кристос, Свенссон Вивена, Ханссон Йонни и др. 18.01.1999.

42. Патент 02F1/24 RU № 000218211700. Флотатор-отстойник. Зарубин М.П., Зарубин С.М., Зарубин Д.М. 14.04.2000.

43. Патент 02F9/00 US № 6599418 ВВ. Аппарат для очистки сточных вод. Wang J. 08.07.2002.

44. Патент 02F1/463 ЕР №1189842 А2. Способ и аппарат для электрофлокуляции. Adin Avner, Vescan Nicholai. 22.05.2000.

45. Патент 02F1/24 WO № 244090 Al. Способ флотации воды. Petrovic Juraj, Rohovec Joachim. 27.11.2001.

46. Амосова Э.Г. Гутникова Р.И., Журавлёв П.И. Рекуперация отработанных растворов соли при регенерации Na-катионитовых фильтров водоподготовительных установок. Физико-химическая очистка сточных вод // Сб. тр. ВОДГЕО. М.: 1982. - с. 25-28.

47. Потапова Н. В. Малоотходные технологии умягчения воды на РТС ГУП «Мостеплоэнерго» // АКВА-ТЕРМ. 2004. - № 3. - с. 34-37.

48. Исследование и разработка термообессоливающих установок высокоминерализованных сточных вод ХВО с утилизацией солей: Отчёт о НИР / Донецкий филиал ВНИИЧерметэнергоочистка. 1978. — с. 1-143.

49. Быч Е.С., Губанева О .Я. Утилизация сточных вод водоподготовительной установки котельной // Промышленная энергетика. № 8.- 1980.-с. 42.

50. Алейников Г.И. Утилизация сточных вод натрий-катионитовых установок // Электрические станции. 1985. - № 2. - с. 65 - 66.

51. Авт. свид. СССР № 874651. М. кл. C02F 1/42, опубл. 23.10.81, БИ №39.

52. Фейзиев Г. К. Высокоэффективные методы умягчения, опреснения и обессоливания воды. -М., Энергоатомиздат, 1988. -с. 71-73.

53. Резников Ю.Н., Граховский Б.М., Мягкий Д.Д. и др. Обессоливание сточных вод предприятий чёрной метталургии. Киев.: // Техшка. - 1984. - с. 104.

54. Шендрик О.Р. Очистка природных вод для нужд теплоэнергетики и электронной промышленности // Химия и технология воды. 1991. - т. 13. - № 4.-с. 24-27.

55. Покровский В.Н. Очистка сточных вод тепловых электростанций. -М.: Энергия. 1990. - с. 47-49.

56. Авт. свид.СССР № 802192. М.кл.С02Р 1/42, опубл.7.02.81, БИ№ 5.

57. Седлов А.С., Шищенко В.В., Чебанов С.Н. и др. Теоретическое и экспериментальное обоснование способов обессоливания воды с многократным использованием регенерационного раствора // Теплоэнергетика. 1995. - № 3. -с. 64-68.

58. Патент 57 39839 Япония, МКИ С02 1/72, № 50 - 130084. Способ обесцвечивания сточных вод, содержащих красители / Экокияма Сигэо, Умэдзава Хирхоки, Денки когаку К. заявл. 29.10.75. опубл. 24.08.82.

59. Дытнерский Ю.И. Перспективы разработки комплексной технологии извлечения минерального сырья и получения пресной воды из мирового океана // Химическая промышленность. 1986. - № 8. - с. 14-16.

60. Шойхет Б. А. О некоторых свойствах гидроксида магния в зависимости от условий осаждения. // Сб. «Минеральные продукты из природных рассолов и минералов». Вып. 55. - М. - JI. — 1966. - с. 62-64.

61. Амосова Э.Г. Осаждение взвеси и обезвоживание осадков карбоната кальция и гидроксида магния // Труды ВОДГЕО. М. - 1987. - с. 69-72.

62. Абдуллаев К. М. О некоторых свойствах гидроокиси магния в зависимости от условий осаждения // Химия и технология воды. 1992. - т. 14. -№ 11.-с. 12-13.

63. Заграй Я. М. Технология безотходной переработки солевых растворов после регенерации ионообменных фильтров для умягчения воды // Химия и технология воды. 1979. - т. 1. - № 1. - с. 6-8.

64. Вассерман И.М. Химическое осаждение из растворов. М.: Химия. -1980.-№6.-с. 103-110, 125-127.

65. Naidey A.D., Giradkar J.R., Bringare G.J. Очистка сточных вод тепловых электростанций. Water pollution control in thermal power station with added benefits // С. E. W. Chem. Eng. World. 1983. - Vol. 18. - № 3. - P. 47-50. Англ.

66. Создать и отработать в опытно-промышленных условиях технологические процессы обработки минерализованных сточных вод ВПУ: Отчёт о НИР / Ташкентский филиал ВНИИ «ВОДГЕО». 1985.-е. 16-20.

67. Заявка 62-51145 Япония МКИ В 01J49/00. Способ регенерации ионообменных смол / Мицуи Тоацу Кагаку К.К. опубл. 28.10.87.

68. Солодянников В.В., Кострикин Ю.М., Буклен Г.И. Использование отработанных стоков водоочистки ТЭЦ // Электрические станции. 1986. - № 7.-е. 33-36.

69. Малахов И.А., Якобишвили И.Ш., Космодемьянский В.Е. Извлечение серной кислоты из сбросных вод водород-катионитовых фильтров // Энергетик. 1985.- №2.- с. 15-17.

70. Амосова Э.Г., Долгополов П.И., Журавлев С.П. и др. К вопросу об обработке и утилизации отработанных регенерационных растворов натрий-катионитовых фильтров. // Сборник докладов «Флогистон». М. - 2005. - с. 1518.

71. Журавлёв П. И. Рекуперация регенерационных сточных вод химводоочисток: Дисс. . канд.техн.наук. М, 1980.-е. 26-53, 65-69, 79.

72. Моисейцев Ю.В., Шищенко В.В. Сокращение водопотребления и водоотведения на ТЭС // Теплоэнергетика. 2001. - № 10.-е. 71-75.

73. Хазиахметова Д.Р. Разработка и исследование технологии умягчения и частичного обессоливания сточных вод ХОУ с использованием карбоксильных катионитов: Автореф. дисс. . канд.техн.наук. М. — 2005. - с. 12-15.

74. Абрамов А.И., Елизаров Д.П., Ремезов А.Н. и др. Повышение экологической безопасности ТЭС. Учебное пособие для вузов. М.: Издательство МЭИ. - 2001. - с. 354-365.

75. Абдуллаев К.М., Агамалиев М.М., Султанова Ф.М. и др. Технология утилизации сбросных рассолов опреснительных установок // Химия и технология воды. 1992. - т. 14. - № 11.-е. 863.

76. Сальникова Е.О., Гофенберг И.В., Туранина Е.Н. и др. Очистка сточных вод от сульфат-ионов с помощию извести и оксосульфата алюминия // Химия и технология воды. 1992. - т. 14. - № 2. - с. 152.

77. Агамалиев М. М., Крикун М. М., Насибов А. Г. Растворимость сульфата кальция в концентратах минерализованных вод // Химия и технология воды.- 1993.-т. 5.-№ 1.-е. 46.

78. Солодянников В.В. Разработка и оптимизация процесса подготовки воды для теплосети с утилизацией сточных вод ионообменных установок ТЭЦ: Дисс. . канд.техн.наук. М., 1987. - 167 с.

79. Султанова Ф.М. Исследование и выбор условий для очистки сбросных вод установок умягчения морской воды от гипса // Сб. «Водоподготовка и водный режим ТЭС». Баку. - 1982. - с. 20-21.

80. Агамалиев М.М. Осаждение гипса из отработанных регенерационных растворов натрий-катионитовых фильтров // Химия и технология воды. 1989. - т. П. - №8.- с. 35-37.

81. Фейзиев Г.К., Кулиев A.M. Умягчение воды с утилизацией стоков // Промэнергетика. 1987. - № 2. - с. 47 - 48.

82. Кулиев A.M., Боровкова И.И. Утилизация сточных вод натрий-катионитовых фильтров // Энергетик. 1985. - № 8. - с. 17-18.

83. Первов А. Г., Павлов Ю. В., Жабин Г. Г. Новейшие технологии подготовки воды в централизованном водоснабжении на основе мембран // Сантехника, технические решения эстетики. Водоснабжение, трубы, арматура. -2003.-№1.

84. Мамет А. П., Ситняковский Ю. А. Сравнение экономичности ионитного и обратноосмотического обессоливания воды // Электрические станции. 2002. - № 6. - с. 63-66.

85. Ходырев Б. Н., Федосеев Б. С., Калашников А. И. и др. Опыт внедрения установки обратного осмоса УОО-166 на Нижнекамской ТЭЦ-1 // Электрические станции. 2002. - №6. - с. 54-62.

86. Хамский Е.В. Кристаллизация в химической промышленности. М.: Химия. -1979. - с. 226, 17-79.

87. Патент на полезную модель № 47766. Осветлитель природных вод. Амосова Э.Г., Долгополов П.И., Журавлев С.П. и др. Приоритет от 14.01.05.

88. Баулина А.И., Гурвич С.М., Квятовский В.М. и др. Обработка воды на тепловых электростанциях // Энергия. 1966. - с. 91-102.

89. Пат. на изобретение № 2257252. Осветлитель воды (варианты). Амосова Э.Г., Долгополов П.И., Журавлев С.П. и др. Приоритет от 23.10.03.

90. Амосова Э. Г., Долгополов П. И., Мотовилова Н. Б. и др. Усовершенствование технологии декарбонизации воды известкованием на ГРЭС 5 АО Мосэнерго // ВСТ. - № 8. - 2002. - с. 16 - 19.

91. Николадзе Г. И. Обезжелезивание природных и оборотных вод. М: Стройиздат. - 1978. - с. 22-45.

92. Золотова Е. Ф., Асс Г. Ю.Очистка воды от железа, фтора, марганца и сероводорода. М: Стройиздат. - 1975. - с. 45-51.

93. Киргинцев А. Н., Трушникова JI. Н., Лаврентьева В. Г. Растворимость неорганических веществ в воде. Справочник. JL: Изд. «Химия».- 1972.- с. 198.

94. Государственный контроль качества воды. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: ИПК «Издательство стандартов» . - 2003. - с. 283.

95. Заявка на выдачу патента РФ на полезную модель (ПМ) № 2005114567/(016708). Установка для очистки подземных вод от железа, марганца и солей жёсткости. Журба М.Г., Говорова Ж.М., Журавлёв С.П. и др. Приоритет 14.05.2005.

96. Амосова Э. Г., Долгополов П. И., Журавлев С. П. и др. Обобщение результатов промышленной эксплуатации вихревых реакторов и противоточных натрий катионитовых фильтров // Сб. докладов «Флогистон». -М-2005.-с. 24-28.

97. Амосова Э.Г., Долгополов П.И., Журавлев С. П. Реагентное умягчение природной воды в вихревых реакторах // Электрические станции. -2005. №9. - с. 23-29.

98. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. Министерство энергетики РФ. Утверждены Приказом Минэнерго России от 19.06.2003 № 229. 2003.

99. Заявка на выдачу патента РФ на изобретение, per. № 2005117575. Способ обработки отработанных регенерационных растворов соли натрий-катионитных фильтров. Амосова Э.Г., Долгополов П.И., Потапова Н.В., Журавлёв С.П. Приоритет от 8.06.05.

100. Родцатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. М.: Энергоатомиздат. - 1989. - с. 186.

101. Справочник химика. Под общей редакцией Никольского, Т. 3. М-Л.гизд. Химия.- 1968.-стр. 302-312.

102. Амосова Э. Г., Гутникова Р. И. О свойствах взвеси и осадков, содержащих сульфат кальция и гидроксид магния // Энергетик. 1995. - № 10.- с. 20-22.

103. Методика технологического контроля работы очистных сооружений городской канализации. -М.: Стройиздат. 1977. - с. 168-170.

104. Кострикин Ю. М., Мещерский Н. А., Коровина О. В. Водоподготовка и водный режим энергообъектов низкого и среднего давления. Справочник. -М.: Энергоатомиздат. - 1990. - с. 217.

105. Эленбогена Р. Н. Исследование влияния испарения на изменение концентрации солей в водохранилищах и накопителях-испарителях для сточных вод: Автореф. дисс. . канд.техн.наук. М. - 1970. — с. 12.

106. Кишневская В.А., Каишев В.К. Влияние затравки на кинетику изменения концентрации сульфата кальция / Труды МЭИ. № 138. - 1978. - с. 75-80.

107. Амосова Э. Г., Долгополов П. И., Журавлев С. П. Исследования процесса выделения сульфата кальция и гидроксида магния из отработанных регенерационных растворов катионитных фильтров // ВСТ. 2005. - №5. - с. 29-35.

108. Лифшиц О. В. Справочник по водоподготовке котельных установок.- Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Энергия. - 1976. - с. 70-76, 53.

109. Долгополов П. И., Журавлёв П. И., Журавлёв С. П. Обработка и утилизация сточных вод водоподготовительных установок // ВСТ. 2006. - № 2.-с. 33-39.

110. Черников Н. А. Теоретические и методологические принципы совершенствования нормативной базы в области водоотведения: Автореф. дисс. . докт.техн.наук. С-Петербург. - 2003. - с. 5-15.