Создание замкнутых водооборотных циклов


Под системой водоснабжения подразумевается комплекс сооружений и оборудования, обеспечивающих забор воды из источника, очистку и обработку ее, подачу ее под необходимым напором промышленным предприятиям или отдельным цехам, прием отработавшей воды и ее кондиционирование для повторного использования.

Системы водообеспечения промышленных предприятий в зависимости от водных технологических процессов могут быть прямоточного, повторного (последовательного) и оборотного (рис.2) водоснабжения.

При прямоточном водообеспечении вся забираемая из источника вода Qист сбрасывается в приемник сточных вод Qсбр за вычетом воды, израсходованной в производстве Qпотр, т. е.




Схема последовательного водопользования является более совершенной; она может быть двух-трех-четырехкратной. Тогда Qсбр уменьшается на величину суммарных потерь на ряде производств (заводов, цехов) и на очистных сооружениях (рис. 3) со шламами Qшл:

Вполне очевидно, что при повторном водоиспользовании качество сточных вод первого водопользователя должно удовлетворять технологическим требованиям к воде второго водопользователя и т. д.

Необходимость создания замкнутых водооборотных систем обусловлена рядом факторов:

·        обострением дефицита пресной воды, на что влияют не только непрерывный рост водопотребления, но и деградация качества природных водоисточников в результате поступления в них сточных вод. Подсчитано, что 1 м3 неочищенных стоков может загрязнить сотни кубометров чистой воды;

·        исчерпанием самоочищающей и разбавляющей способности водоемов, в которые сбрасываются сточные воды;

·        экономическими преимуществами по сравнению с очисткой сточных вод до соответствующих нормативов, позволяющих их сброс в открытые водоемы.

           Если стоимость 90 %-ной очистки сточных вод принять за единицу, то очистка на 99 % обойдется примерно в 10 раз дороже, а очистка на 99,9 %, которая часто и требуется для достижения ПДК, будет дороже в 100 раз. В ре
зультате локальная очистка сточных вод с целью их повторного использования в производстве в большинстве случаев оказывается значительно дешевле их полной очистки в соответствии с требованиями санитарных органов. В целом рецикл оказывается более выгоден, чем прямоточная система водоснабжения: он позволяет в 10-50 раз снизить потребление чистой воды.

           Вода в системе оборотного водоснабжения в зависимости от технологического назначения может быть подвергнута различной обработке. Так, если она является теплоносителем и в технологическом процессе только нагревается, перед последующим использованием ее охлаждают (в пруду, градирне, брызгальном бассейне, рис. 3а). В том случае, если вода выполняет роль транспортирующей и поглощающей примеси среды, то перед подачей в оборотный цикл ее кондиционируют на очистных сооружениях (рис. 3б). Возможен вариант предварительной обработки воды (рис. 3в) перед повторным использованием путем и очистки от загрязнений, и охлаждения.

В системах оборотного водообеспечения безвозвратные потери воды (производство, испарение, унос ветром, разбрызгивание, шлам, продувочный расход) компенсируются дополнительным, так называемым подпиточным количеством свежей воды из источника Qист, т. е.:

Общее количество подпиточной воды обычно не превышает 5-10 % от циркулирующей в системе.

Создание замкнутых систем водоснабжения (ЗСВ) возможно только в совокупности с внедрением новых более совершенных безотходных и малоотходных технологических процессов, аппаратов и крупнотоннажных агрегатов, обеспечивающих комплексную переработку сырья и существенно уменьшающих количество и загрязненность образующихся сточных вод, а также при использовании принципиально новых систем водоснабжения, методов и схем регенерации сточных вод с одновременным извлечением ценных компонентов и доведением их до качества товарного продукта или вторичного сырья. При создании ЗСВ на промышленных предприятиях свежая вода используется только на восполнение потерь воды. Такой подход к решению проблемы использования воды в производстве предполагает ее регенерацию из сточных вод, при условии исключения образования отходов и загрязнения окружающей природной среды.

Однако создание ЗСВ промышленных предприятий, использующих воду в замкнутом цикле без сброса сточных вод в водоем, не решает в целом проблему охраны водных источников от истощения и загрязнения. Полное решение этой проблемы связано с использованием в промышленности очищенных городских сточных вод и поверхностного стока при условии обеспечения установленного санитарно-гигиенического состояния рабочих мест и исключения загрязнения окружающей природной среды.

Научно-техническая задача создания замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий состоит в решении комплекса вопросов, начальным этапом которых является совершенствования технологий производства продукта и использования воды, обеспечивающих экономические преимущества замкнутых систем перед существующими.

В литературе при рассмотрении систем использования воды в производстве встречается много разнообразных терминов, таких как бессточные системы водопользования; бессбросные, полностью замкнутые, максимально замкнутые системы; замкнутые системы с минимальным сбросом. Термин бессточные или бессбросные системы можно трактовать по-разному: и как системы без сброса сточных вод в водоем, и как системы, в которых сточные воды вообще не образуются. Что касается максимально замкнутых систем или замкнутых с минимальным сбросом, то их следует рассматривать как оборотные системы с минимальным сбросом сточных вод в водоем.

Создание замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий возможно при коренном изменении существенных принципов в водоснабжении, канализации и очистки сточных вод.

Во-первых, водоснабжение и канализация должны рассматриваться в совокупности, когда на предприятиях создается единая система водного хозяйства, включающая водоснабжение, водоотведение и очистку сточных вод, как подготовку для их повторного использования.

Во-вторых, для водоснабжения основными должны являться очищенные производственные и городские сточные воды, а также поверхностный сток. Свежая вода из водоисточников в производстве должна использоваться только для особых целей и восполнения потерь воды в системах.

В-третьих, очистка должна сводиться к регенерации отработанных технологических растворов и воды с целью их повторного использования в производстве. Регенерации должны подвергаться локальные потоки отработанных технологических растворов и сточных вод, при этом должны создаваться локальные замкнутые системы технического водоснабжения, которые являются основным звеном замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий.

В-четвертых, методы, применяемые для регенерации технологических растворов и воды, должны обеспечивать одновременное извлечение ценных компонентов и доведение образующихся отходов до товарного продукта или до вторичного сырья при минимальных материальных и энергетических затратах.

Создание на промышленных предприятиях систем использования воды в замкнутом цикле связано с необходимостью нового подхода к постановке научных исследований, проектированию, выбору рациональных методов очистки сточных вод и технико-экономической оценке производства товарного продукта. На смену разработки отдельных методов очистки сточных вод приходит разработка систем водного хозяйства промышленных предприятий, включающих оптимизацию использования воды во всех операциях, производствах и цехах, регенерацию отработанных растворов и воды с одновременным извлечением ценных компонентов и получением новых видов товарных продуктов.

Вода в производстве выполняет целый ряд функций. Она может использоваться:

- в качестве непосредственного химического реагента;

- промышленного сырья;

- охлаждающего агента;

- экстрагента;

- растворителя;

- реакционной и поглощающей среды;

- транспортирующего агента;

- компонента энергических систем.

В каждой отрасли с учетом специфики технологии определяется основная функция воды. Так, в черной металлургии, химической и нефтехимической промышленности от 75 до 80 % расходуемой воды используется в качестве охлаждающего агента, в цветной и целлюлозно-бумажной промышленности соответственно 80 и 90 % расходуемой воды используется в качестве среды и экстрагента.

В зависимости от выполняемой функции воды системы ее использования подразделяются на:

- технологические, в которых вода используется в качестве промышленного сырья, растворителя и реакционной среды;

- экстрагентные, в которых вода используется для извлечения из полупродукта или товарного продукта нежелательных примесей, очистки газообразных выбросов, очистки твердых отходов от водорастворимых компонентов, мойки оборудования;

- охлаждающие и транспортирующие, в которых вода используется соответственно в качестве охлаждающего и транспортирующего агента.

Все системы, использующие воду в обороте, целесообразно подразделить на:

- локальные;

- централизованные;

- смешанные.

В локальных системах вода используется в обороте после регенерации в одном или последовательно в нескольких технологических процессах.

При централизованном водоснабжении вода различных операций проходит обработку единым потоком, после чего возвращается в производство. При смешанном водоснабжении воды одной оборотной системы используются в другой оборотной системе (например, из охлаждающей - в экстрагентной, из экстрагентной - в транспортирующей). Оборотные системы, работающие без вывода части оборотной воды (продувочной воды), являются замкнутыми. Свежая вода или вода из других систем используется в них только для восполнения потерь.

Требования к качеству воды в оборотных системах определяются условиям ее использования. В общем виде они сводятся к следующему:

·        вода не должна оказывать отрицательного влияния 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.

В некоторых случаях отработанные технологические растворы и сточные воды целесообразно передавать для использования на других предприятиях.

Создание замкнутых систем водного хозяйства на промышленных предприятиях является сложным процессом. Сроки создания таких систем зависят от сложности технологии, разработки и внедрения совершенных технологических процессов и аппаратуры, агрегатов большой мощности, совершенных систем использования воды в производстве, т.е. от решения комплекса вопросов, обеспечивающих экономичность использования воды в замкнутом цикле. На некоторых предприятиях эти системы могут создаваться уже в настоящее время, а на других еще требуется дополнительная проработка и подготовка.

Основными предпосылками для создания ЗСВ на промышленных предприятий являются:

1. применение безводных или маловодных технологических процессов, обеспечивающих более полное комплексное использование сырьевых ресурсов. Внедрение аппаратов воздушного охлаждения позволяет не только сэкономить значительное количество воды, но и уменьшить количество сточных вод.

2. выбор комплекса производств предприятия и их размещение на промышленной площадке, обеспечивающие последовательное многократное использование воды.

3. совершенствование технологических процессов, позволяющих сократить количество и загрязненность сточных вод.

4. рациональное многократное использование воды во всех технологических операциях и процессах, создание локальных замкнутых систем технического водоснабжения. Особое значение приобретают рациональное использование воды в наиболее водоемких технологических процессах, например при промывке сырья, полупродуктов, готового продукта, и разработка физико-химических способов очистки сточной воды, обеспечивающих возврат очищенной воды в эти же процессы.

5. классификация сточных вод, как по характеру загрязнений, так и по их общей загрязненности и разработка рациональной системы их очистки с целью повторного использования. Особое значение приобретает разработка методов очистки сточных вод от органических соединений отдельных классов с учетом физико-химических свойств этих и основных сопутствующих соединений.

6. обеспечение такого качества сточных вод, поступающих на внеплощадные очистные сооружения, которое позволяет осуществить их очистку на этих сооружения. Обязательным условием создания замкнутых систем водоснабжения промышленных предприятий является удаление из сточных вод биологически неразрушаемых и токсичных соединений из локальных потоков до их объединения в общий поток, поступающей на внеплощадочные очистные сооружения.

7. обеспечение качества биологических очищенных сточных вод, удовлетворяющего требования к воде, используемой для восполнения потерь в оборотных системах, по санитарно-гигиеническим и токсикологическим показателям. При использовании очищенных сточных вод в системах оборотного водоснабжения необходимым является их кондиционирование:

- при режиме с продувкой - обработка с целью предотвращения биообрастаний и карбонатных отложений;

- при безпродувочном режиме - дополнительная обработка для предотвращения коррозии и частичного удаления из оборотной воды взвешенных веществ. Санитарно-гигиеническая безопасность повторного использования таких сточных вод в оборотных системах охлаждающего водоснабжения обеспечивается как в процессе очистки, как и при кондиционировании воды в оборотных системах.

8. применение рациональных методов обессоливания сточных вод. При обессоливании сточных вод необходима их классификация и разработка рациональной системы. Идеальным решением является выделение солей и возврат в производство очищенной воды и выделенных солей или регенерация рассолов и повторное их использование.

Вода в технологических процессах на предприятиях может использоваться как сырье, растворитель, поглощающая среда, теплоноситель и другое. Поэтому и требования к ее качеству, в зависимости от характера и цели применения, весьма различны (таблица 1). Однако можно дать условную классификацию требований к качеству воды:

·        вода, к качеству которой не предъявляются технологические требования;

·        вода, очищенная до качества очищенных источников, используемых обычно для технического водоснабжения без дополнительной обработки;

·        вода, очищенная до показателей питьевых стандартов;

·        глубокоочищенная вода.

Из всего многообразия функционального использования водных ресурсов в промышленных технологиях наибольшее количество воды используется в качестве хладагента (70%), экстрагента (15-20%), транспортирующего агента (10-15%). Имеется ряд направлений, позволяющих экономить воду: замена водяного охлаждения воздушным, использование сооружений сухой очистки газов и воздуха от пыли, испарительного и форсуночного охлаждения, противоточно-каскадных систем промывки, пневматических систем транспортирования. Все это позволяет сократить удельное потребление воды в среднем на 20-30 %.

Так, для подпитки охлаждающих систем оборотного водоснабжения вместо вод открытых источников можно использовать биологически очищенные сточные воды с глубокой очисткой их на фильтрах с зернистой загрузкой, иногда с применением коагулянтов. В горно-обогатительной промышленности и для некоторых процессов в металлургии можно применять биологически очищенные сточные воды без дополнительной обработки. В ряде стран довольно широко практикуется применение в охлаждающих системах производственного водоснабжения городских сточных вод после их полной биологической очистки на зернистых фильтрах и последующего обезвреживания.

Создание замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий базируется на результатах научно-исследовательских и опытно-конструктивных работ, позволяющих обеспечить рациональное использование воды во всех технологических процессах, максимальную утилизацию компонентов сточных вод, сокращение капитальных и эксплуатационных затрат, нормальные санитарно-гигиенические условия работы обслуживающего персонала, исключение загрязнения окружающей природной среды. Рациональные системы использования воды с учетом совершенствования технологии основного продукта с целью сокращения расхода воды, количества и качества (степени загрязненности) образующихся сточных вод разрабатываются на основе научно обоснованных требований к качеству воды, используемой в каждом технологическом процессе.

Распространенность воды в природе, низкая стоимость подачи ее на производство и сброса использованной воды привели к распространению так называемых мокрых технологий. Однако в ряде случаев мокрая технология вполне может быть заменена на сухую. Поэтому использованию воды в производстве должно предшествовать рассмотрение и оценка применения безводной технологии.

 

Примерные требования к качеству воды, используемой в ЗСВ промышленных предприятий

 

Показатель

Единица измерения

Вода, используемая для охлаждения оборудования и продукта в теплообменных аппаратах

Вода, используемая в качестве транспортирующей, поглощающей, экстрагирующей и другой среды

Охлаждение без огневого нагрева поверхностей теплообмена

Охлаждение огневого нагрева поверхностей теплообмена

обогащение, гидротранспорт, без нагрева

улавливание и очистка газов, с нагревом

Температура

°С

Определяется в зависимости от технологического процесса

Взвешенные
вещества

мг/л

до 50

до 20

при гравитации до 10000, при флотации до 200

Эфирорастворимость

»

»20

»10

не нормируется

Запах

Балл

» 3

» 3

до 3

до 4

рН

-

6,5 - 8,5

6,5 - 8,5

не нормируется

6,5 - 9,0

Жесткость:

 

 

 

 

 

общая

мгэкв/л

50

-

-

-

карбонатная

 

до 3,5

до 2,5

не нормируется

при очистки газов необходима обработка оборотной воды

Щелочность

»

не более 4

не более 3

то же

необходима обработка
воды

общая

 

 

 

 

Общее соле-

мг/л

до 2000

до 800

 

не нормируется

содержание

»

»350 »500

»150 »250

 

то же

 

» »

1,0 - 4,0

0,5 - 1,0

 

» »

Окисляемость
перманганатная

»

до 20

до 20

при гравитации не нормируется,
при флотации 10

»

ХПК

»

» 200

-

не нормируется

БПК5

»

15 - 20

-

то же

Биогенные элементы в добавочной воде:

 

 

 

 

 

азот общий

»

150

150

 

»

фосфор

»

5

-

 

»

 

При рассмотрении охлаждающей системы необходима предварительная технико-экономическая проработка возможности и целесообразности следующих процессов:

·        рекуперация теплоты технологических жидкостей и растворов путем теплообмена между их холодным и горячим потоком;

·        утилизации теплоты от потоков с высокой температурой для получения (энергетического и технологического) водяного пара с помощью испарительного охлаждения;

·        утилизация отводимой теплоты газообразным, жидким или твердым сырьем;

·        передача избыточной теплоты на соседние предприятия;

·        использования охлаждающей способности природного газа при его расширении на выходе из скважины, отвода избыточной теплоты с конечным товарным продуктом;

 

·        использование климатических особенностей местности, где располагается предприятие (низкая температура наружного воздуха, ветров, холода стратосферы, вечной мерзлоты, ледников и т.п.);

·        применение воздушно-испарительного, двухконтурного испарительного и воздушного охлаждения;

·        применение холодильных установок.

Целесообразно применение воздушного, воздушно-испарительного и двухконтурного испарительного охлаждения. Основное преимущество аппаратов воздушного охлаждения (АВО) перед градирнями, брызгальными бассейнами и прудами-охладителями заключается в отсутствии потерь воды на испарение и ветровой унос. Охлаждающая вода циркулирует в замкнутой системе и поэтому к оборотной воде не предъявляются такие жесткие требования, как в системах водяного охлаждения. АВО просты и удобны в эксплуатации, могут работать в любых климатических условиях.

Оборотные системы охлаждающего водоснабжения могут быть локальными и централизованными. Выбор той или иной системы зависит от материала и условий работы охлаждающего оборудования, физико-химической характеристики охлаждаемого продукта, протяженности коммуникаций.

Централизованные системы водоснабжения создаются для регенерации различных сточных вод, близких по химическому составу, для обработки которых целесообразно использовать один и тот же способ. В некоторых случаях необходима предварительная очистка одного или нескольких локальных потоков перед их объединением со всеми остальными сточными водами.

В зависимости от условий возможно создание на предприятии нескольких оборотных централизованных систем. В самом общем виде замкнутая система водного хозяйства промышленного предприятия включает:

·        локальные оборотные (замкнутые) системы;

·        централизованные замкнутые системы;

·        охлаждающие локальные (централизованные системы) оборотные (замкнутые) системы, а также системы последовательного использования воды в двух или нескольких технологических операциях с передачей воды из одной оборотной системы в другую.

           Эти замкнутые системы разрабатываются на основе данных по количеству и характеристике используемой воды, отводимых сточных вод и отработанных технологических растворов в каждой технологической операции.

На рис. 4 приведена схема оборотного водоснабжения цеха холодной прокатки. Сточные воды, образующиеся при работе стана 8 и содержащие в основном частицы металлической окалины и масла, попадают в отстойник 1. В нем выделяются твердые частицы и наиболее легкие фракции масла. Далее сточные воды направляются в промежуточный отстойник 2, где осаждаются мелкие фракции частиц. Из отстойника сточные воды отбираются насосом 3, в который через трубопровод 4 подается сжатый воздух. Смесь воды с воздухом поступает в сатуратор 5, где интенсивно перемешивается, и затем направляется во флотатор 6 для окончательной очистки от маслопродуктов. Выделенные маслопродукты отводятся на участок их регенерации, а сточная вода из флотатора поступает в промежуточный отстойник 2. Для очистки сточной воды от твердых частиц и частиц масла размером менее 1,5 мкм она пропускается через бумажный фильтр 7. Очищенная таким образом вода собирается в промежуточном отстойнике 2 и затем с помощью насоса 3 подается для охлаждения прокатываемых изделий, узлов стана и оборудования цеха.

 

При разработке оборотных систем водоснабжения промышленных предприятий необходимо планировать очистку и повторное использование поверхностных сточных вод с учетом следующих требований:




- обеспечение локализации стока с отдельных участков территории предприятия и его отвода либо в общезаводские очистные сооружения, либо (после предварительной очистки) в общую схему очистки поверхностных сточных вод;

- создание раздельной организации стоков с водосборных участков, отличающихся по составу и количеству примесей, поступающих в поверхностные сточные воды;

- обеспечение очистки поверхностного стока совместно с производственными сточными водами;

- применение локальных очистных сооружений для поверхностных сточных вод.

При разработке замкнутых водооборотных систем для всех отраслей экономики в качестве общих выступают следующие задачи (А.В. Зайцев, 1999 г.):

·        максимальное применение воздушного охлаждения вместо водяного: на многих предприятиях на охлаждение расходуется до 70 % всей используемой воды;

·        размещение комплекса производств на промышленной площадке таким образом, чтобы было возможно многократно (каскадно) использовать воду в технологических производствах;

·        последовательное многократное использование воды в различных или идентичных производствах должно по возможности приводить к образованию небольшого объема максимально загрязненных сточных вод, для обезвреживания которых можно подобрать достаточно эффективные методы очистки;

·        использование воды для очистки газов только тогда, когда из газов извлекаются и используются ценные компоненты; применение воды для очистки газов от твердых частиц допускается только в случае замкнутого цикла;

·        обязательная регенерация отработанных кислот, щелочей и солевых технологических растворов с использованием извлекаемых продуктов в качестве вторичного сырья.

При создании замкнутых водооборотных систем промышленных предприятий водоподготовка и очистка сточных вод должны рассматриваться как единая система. Проектирование замкнутых систем проводится одновременно с проектированием основного производства. Образующиеся при очистке сточных вод осадки перерабатываются в товарную продукцию или выдаются в виде вторичного сырья.