Экологические и технологические проблемы водного хозяйства предприятий теплоэнергетики и пути их решения (на примере Красноярского края) (05.10.2009)

Автор: Сакаш Геннадий Викторович

: Для оптимизации процесса очистки был поставлен полный трехфакторный эксперимент по рототабельному плану Бокса-Хантера. Оптимизируемыми параметрами являлись доза коагулянта, рН среды и температура воды.

Но основе опытных данных были получены уравнения регрессии, являющиеся математической моделью процесса. С помощью этой модели были определены графические зависимости окисляемости очищенной воды, остаточного содержания Fe (II) от дозы коагулянта и для различных температур построены регулировочные диаграммы в координатах «доза коагулянта-рН». Было выявлено, что с повышением температуры степень очистки возрастает, что связано, с увеличением скорости гидролиза FeSO4. При увеличении концентрации коагулянта сверх определенной величины процесс коагуляции замедляется. Эта зависимость, как и зависимость эффективности очистки воды от дозы коагулянта при различных рН имеет параболический характер. Ухудшение качества очищенной воды по ХПК при увеличении дозы коагулянта вызвано уменьшением скорости отстаивания гидроксида железа с адсорбированными органическими веществами, вследствие чего показатель ХПК увеличивается. Для достижения одинаковой степени очистки доза коагулянта минимальна при рН 9. С увеличением дозы FeSO4 содержание остаточного Fe (II) уменьшается до определенного предела, а затем растет за счет гидроксида, находящегося в растворе в коллоидном состоянии. Исследования по влиянию температуры воды на процесс очистки показали, что минимальное содержание Fe (II) наблюдается в интервале температур от 25 до 30(С. Повышение температуры приводит к увеличению энергии теплового движения молекул воды, вызывающему ухудшение процесса осаждения хлопьев. При одинаковой дозе коагулянта остаточное содержание Fe (II) при рН 9 минимально. Характер изменения ХПК и остаточного содержания Fe (II) от дозы коагулянта, рН и температуры воды приведен на рис.7.

Как видно из рис. 7, оптимальные параметры реагентной обработки воды зависят от температуры. При нагреве воды до 30(С для снижения окисляемости воды до 8-9 мг О2/л требуется доза реагентов от 50 до 75 мг/л и рН 8-9. При этом остаточное содержание Fe (II) не превышает 0,1 мг/л. При 20(С для очистки воды до ХПК 8 мг О2/л требуется увеличение дозы реагента до 120 мг/л.

Однако, воду с окисляемостью 9-9,5 мг О2/дм3 можно получить при дозах от 50 до 75 мг/л и рН 8-9. Остаточное содержание Fe (II) при этом составляет 2-4 мг/л. При обработке воды с температурой 10(С достичь высокой эффективности очистки не удается. Снижение ХПК до 9 мг О2/л требует дозы коагулянта 100-120 мг/л и рН 10-11, что по-видимому, связано с уменьшением скорости гидролиза FeSO4. На основании полученных данных реагентную обработку воды водохранилища рекомендуется проводить при рН 9-9,5; температуре воды 30( С, дозах Fe (II) 75 мг/л и полиакриламида -1 мг/л.

Регулировочные диаграммы процесса реагентной обработки воды с выделением области оптимальных параметров процесса приведены на рис. 8.

Для количественной оценки эффективности очистки воды с применением коагуляции был выполнен технико-экономический анализ с определением приведенных затрат по варианту, предложенному проектировщиками с одной стороны, и варианту, предложенному с учетом результатов экспериментальной очистки модели воды.

Несмотря на незначительное удорожание схемы очистки воды за счет увеличения дозы коагулянта итоговый годовой экономический эффект от применения оптимальных доз коагулянта только в результате экономии при эксплуатации ионитов на I очереди Березовской ГРЭС-1 составляет 604,66 тыс. руб.

Рис. 7. Изменение ХПК (а, в) и остаточного содержания Fe(II) (б, г) от дозы коагулянта (а, б) при рН 9 (1), 10 (2), 11 (3) и от температуры обработки (в, г) при дозе коагулянта 50 (1), 75 (2) и 100 мг/л (3)

Рис. 8. Регулировочные диаграммы процесса реагентной обработки при бихроматной окисляемости 10 (1), 4 (2), 2 (3), 9 (4) мг О2/л и остаточном содержании Fe (II) 10 (5), 6 (6), 4 (7), 2 (8), 0,4 (9), и 0,1 мг/л (10). Заштрихованная область - оптимальные параметры обработки воды

Использование только коагулянтов не позволяет осуществить глубокую очистку воды от коллоидных и растворенных органических веществ. Очищенная реагентным методом вода имела довольно высокое содержание Fe (II) и органических веществ, проверена возможность ее дальнейшей очистки фильтрованием через антрацитовую загрузку толщиной 1,2 м и размером зерен 0,9-1,2 мм по традиционной для химводоочистки схеме.

Фильтрование проводилось со скоростью 8 м/ч. После фильтрования содержание Fe (II) уменьшилось в 6 раз, а содержание органических веществ практически не изменилось. Это свидетельствует о том, что вместе с мелкими хлопьями, не осевшими в процессе отстаивания, на фильтре задерживается и Fe (II). Практически не изменившееся количество органических веществ в воде после керамического фильтра говорит о том, что в составе мелких хлопьев органических соединений содержится мало и для более глубокой очистки необходимы другие методы.

На втором этапе для глубокой очистки воды от органических веществ, не задержанных на стадии коагулирования, отстаивания и фильтрования, исследовалась эффективность сорбции на ионообменных материалах.

В качестве исходной воды использовалась модель воды водохранилища-охладителя Березовской ГРЭС-1, настоянная на переходных торфяниках (модель №3) и прошедшая коагулирование, отстаивание и фильтрование в режиме, отработанном на первом этапе экспериментов. Исходная вода отличалась низким содержанием взвешенных веществ (5-7 мг/л), высокой цветностью и концентрацией природных органических веществ, находящихся в коллоидном и растворенном виде. Очистку воды проводили по следующей схеме: добавление реагента (коагулирование)( отстаивание( фильтрование( сорбция на ионитах (см. табл. 2).

В качестве коагулянта применялся раствор FeSO4 при дозе 125 мг/л. Температура воды в опытах составляла +30(С, рН равнялось 9,5 и доза полиакриламида, добавляемого в очищаемую воду в качестве флокулянта после введения раствора FeSO4, равнялась 1 мг/л .

Фильтрование осуществлялось через антрацитовую загрузку с размерами зерен, толщиной и в режиме, рекомендованными при приготовлении воды для питания котлов на ТЭС.

Объектом исследований являлись как традиционные (АВ-22, АВ-216 ГС), так и макропористые аниониты: АВ-29П, ИА-1. Предельно-допустимая окисляемость воды после анионитов ограничивалась величиной 1,0-1,5 мг О2/л.

Была исследована эффективность сорбции органических веществ в зависимости от исходной концентрации загрязнений. По полученным изотермам сорбции были подсчитаны сорбционные емкости анионитов.

Результаты определения сорбционных емкостей анионитов и условия проведения опытов приведены в табл. 2.

Как свидетельствуют данные табл. 2 сорбционная емкость снижается в ряду АВ-29П, ИА-1, АВ-22, АВ-216 ГС. Наибольшей сорбционной емкостью по органическим загрязнениям обладает макропористый анионит марки АВ-29П.

Таблица 2

Сорбционные емкости анионитов и условия проведения опытов

Марка анионита Сорбционная емкость, мг/г Условия проведения опытов

АВ-29П 8,1 Фильтрование через слой анионита высотой 0,8 м с постоянной скоростью, равной 5 м/ч. Вода перед подачей на аниониты прошла коагулирование раствором FeSO4 при дозе 125 мг/л, отстаивание, фильтрование через антрацитовый фильтр с высотой загрузки 1,2 м и скоростью 8 м/ч. Бихроматная окисляемость воды перед анионитами составляла 7,0-9,1 мг О2/л

ИА-1 7,2

АВ-22 0,26

АВ-216 ГС 0,17

Анализ результатов исследований позволил отметить решающее влияние пористой структуры сорбентов на эффективность сорбции гумусовых соединений. Можно предположить, что одновременно реализуется несколько процессов: физическая адсорбция ядер гуминовых и фульвокислот на полимерной матрице ионита за счет Ван-дер-Ваальсовых сил; физическая адсорбция в пустотах, образующихся при набухании полимерной матрицы (набухание обусловлено проникновением органических молекул больших размеров). Кроме того, учитывая что гуминовые и фульвокислоты являются слабыми электролитами, а функциональные группы анионитов имеют заряд, возможно химическое взаимодействиие между карбоксильными группами органических кислот и ионогенными группами анионитов. В связи с тем, что гуминовые и фульвокислоты являются полифункциональными электролитами и имеют большие размеры, они блокируют функциональные группы анионитов, что приводит к «отравлению» сорбентов.

Для регенерации анионитов использовался раствор, содержащий 5% NaOH и 10% NaCl. Окисляемость воды после прохождения анионитов была в пределах 1,0-1,5 мг О2/л. Сорбционная емкость анионита АВ-29П после пяти циклов сорбция-регенерация снизилась по сравнению с другими сорбентами в наименьшей степени и составляла 55% от первоначальной. Исследование циклов «сорбция-регенерация» с использованием низко пористых анионитов подтвердило механизм процесса резкого снижения их емкости уже после первых циклов.

Макропористый анионит АВ-29П выпускается отечественной промышленностью, дешевле зарубежных аналогов и может быть рекомендован для эффективной глубокой очистки воды от органических веществ.

Таким образом, применение воды водохранилищ-охладителей для питания котлов ТЭС КАТЭК возможно осуществить с использованием предложенных технологий очистки. При этом удаление основной части органических примесей целесообразно осуществлять на стадии коагулирования исходной воды. Доочистку воды от оставшихся после коагулирования органических веществ следует осуществлять последовательно на механических фильтрах и сорбционных фильтрах с макропористым анионитом АВ-29П.

На основании проведенных исследований разработана технологическая схема очистки воды водохранилищ-охладителей ТЭС КАТЭК от органических веществ (рис. 9).

Реализация ее позволяет значительно повысить надежность работы тепломеханического оборудования ТЭС, снизить затраты на водоподготовку в целом в размере около 157 млн. руб/год.

Рис. 9. Схема очистки воды водохранилищ-охладителей ТЭС КАТЭК от органических веществ (расход воды 270 м3/ч)

1- смеситель; 2- отстойник или осветлитель с взвешенным осадком; 3- емкость частично осветленной воды; 4- насосы; 5- осветлительный фильтр; 6- емкость осветленной воды; 7- сорбционный фильтр

I- подача исходной воды из водохранилища; II- подача щелочи для коррекции pH; III- подача коагулянта; IV- подача флокулянта ПАА; V- подача воды на отстаивание или на осветлитель с взвешенным осадком; VI- выпуск осадка; VII- подача воды в аккумулирующую емкость; VIII- подача воды на осветлительный фильтр; IX- подача воды на сорбционный ионитовый фильтр; X- подача воды на ступень обессоливания

В пятой главе представлены результаты исследований по очистке природных поверхностных вод на фильтрах с керамическими элементами на основе шамота, используемыми в настоящее время на очистных сооружениях хоз-бытовых сточных вод для аэрирования стоков в аэротенках.

Для решения принципиальной возможности использования пористой керамики на основе шамота в качестве фильтрующей загрузки осветлительных фильтров были изучены основные физико-механические свойства шамотно-силикитной и шамотно-бентонитовой керамики с раразмером пор 50,150 и 300 мкм, определении химическая стойкость в различных средах и температурах, водопроницаемость и режимы фильтрации воды через керамику при скоростях 0,1 -5,5 м/ч. Установлено, что пористые керамические элементы на основе шамота на силикатном и бентонитовом связующих обладают высокой химической стойкостью в нейтральных (рН 8-9,2), слабощелочных (рН 9,5) и кислых (рН 5,0) средах с температурой до 95(С. Оценена и экспериментально доказана возможность применения изделий из шамотно-силикатной керамики для установки ее в схемах очистки воды для питания котлов ТЭС. При этом изучена кинетика процесса обогащения фильтрата кремнекислотой (SiO2) при контакте с образцами шамотно-силикатной керамики.

Этап экспериментального изучения особенностей осветления воды в режиме скорого фильтрования делился на три группы экспериментов: предварительные исследования в лаборатории, фильтрационный анализ в производственных условиях на пилотной установке, производственные испытания опытного производственного патронного фильтра.

Лабораторные исследования по безреагентному осветлению суспензий на фильтрах с керамическими элементами проводились в два этапа.

На первом этапе изучалась возможность осветления исходной воды до требований СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода…» в режиме «медленного» фильтрования со скоростью 0,1 и 0,2 м/ч. В качестве исходной взвеси использовался естественный ил, собранный в русле реки Енисей. Скорость фильтрования в ходе опытов поддерживалась постоянной при помощи автоматических регуляторов. В качестве фильтрующей среды использовали пористую шамотно-силикатную керамику толщиной 35 мм с размером основных пор 50 и 150 мкм.


загрузка...