Оборотное водоснабжение – экономия воды и защита окружающей среды

Для производственных и хозяйственных нужд расходуется огромное количество воды. Ситуацию ухудшает сброс загрязненной жидкости в водоемы. Уделяя внимание охране природы и экономическим аспектам бизнеса, многие предприятия переходят на оборотное водоснабжение. Этот метод предполагает многократное использование водного ресурса. Сокращение потребления свежей воды и сброса стоков приводит к удешевлению водоснабжения.

Как функционирует замкнутая система водоснабжения

Наиболее перспективный вариант сокращения потребления воды – создание замкнутых систем. Сточные воды проходят очистку специальным оборудованием и используются повторно. Составляющие системы оборотного водоснабжения зависят от объема стоков и требований, которые предъявляются к качеству очищенной жидкости. Прогрессивную установку можно встретить в производственных цехах, атомных и тепловых электростанциях, на автомойках, в загородных домах с автономными источниками.

П – производство; ОС – очистка стоков, НС –насосная станция, ОХ-охлаждение

В зависимости от технологических процессов производства вода может загрязняться с первого раза или не требовать очистки долгое время. Замкнутая система необходима в нескольких случаях:

1. Используемый источник не обладает достаточным количеством воды, чтобы удовлетворить потребности предприятия.
2. Источник находится на большом удалении от производственных цехов (до 4 км), расположенных на значительной высоте(25 м и выше).

Она незаменима в регионах с высокой стоимостью воды, чрезмерной жесткостью или загрязнением источника, в случае реальной опасности отравления природы стоками. Очистные комплексы в зависимости от назначения включают от одной до шести ступеней. Среди них: предочистка в отстойниках, электрофлотация, фильтрация, адсорбция, обратный осмос.

Электрофлотатор – агрегат, действие которого основано на принципах электролиза. Он обеспечивает удаление из воды химических соединений и взвешенных частиц. Его показатели очистки загрязнения нефтепродуктами составляют – от 75 до 90%, остатками ПВА – от 50 до 70%.

К охладительным сооружениям относятся пруды-отстойники, градирни и брызгальные бассейны. В водонепроницаемых котлованах вода специальными насадками рассекается на брызги и охлаждается потоками воздуха.

Конструктивными частями замкнутой сети являются подающие и обратные трубопроводы, циркуляционные насосы, очистные сооружения и фильтры, охлаждающие установки. Для водоемов, страдающих от сброса плохо очищенных стоков или горячей воды, такая система становится настоящим спасением.

Устройство оборотного водоснабжения на производстве

Полезная информация: Кроме открытых систем охлаждения существуют закрытые конструкции, в которых вода не контактирует с воздухом. Снижение температуры происходит за счет теплообменных аппаратов.

Реклама: Коммерческие помещения для производства в Санкт-Петербурге доступны по ссылке — http://www.kvartal.biz/pomeshheniya-pod-proizvodstvo/

Преимущества повторного использования

Высокие расходы на покупку и монтаж оборудования для оборотного водоснабжения не становятся препятствием для внедрения современной технологии на предприятиях.

• Потребности в воде снижаются в 10 раз.
• Существенная экономия финансовых средств.
• Ответственное отношение к экологии и рациональному использованию ресурсов.
• Отсутствие штрафов за грязные стоки.

Принцип замкнутой системы

Оборотные комплексы в промышленности

Владельцы предприятий, которые заботятся об экологии и умеют считать прибыль, переходят на прогрессивный метод – оборотное водоснабжение. Сфера его применения достаточно широкая:

Энергетика

Предприятиям энергетической отрасли – тепловым и атомным электростанциям вода необходима для охлаждения турбин или как рабочее тело – пар. Техническое водоснабжение объектов происходит двумя системами:

Процесс происходит следующим образом: пар подается в градирни, охлаждается и конденсируется. С помощью насоса вода для охлаждения турбин и вспомогательных механизмов. Их природного источника берется вода для восполнения потерь, неизбежных в технологических процессах.

Схема градирни

Металлургия

Во многих технологических процессах вода используется исключительно для охлаждения. Она не загрязняется, а только нагревается, поэтому после остывания может применяться снова. На металлургических предприятиях схема оборотного водоснабжения сложнее. Жидкость нагревается и загрязняется различными примесями. Для дальнейшего использования в газоочистке потребуются пруды или градирни для охлаждения и механические фильтры очистки.

Нефтепереработка

На современных нефтеперерабатывающих заводах в замкнутом цикле, включающем фильтрацию и локальную очистку, находится 95-98% всей используемой воды. Для химической промышленности ведется разработка замкнутых систем, не требующих осуществления сброса стоков в водоемы.

Пищевая промышленность

Оборотное водоснабжение популярно на предприятиях отрасли. По этому принципу работают системы мойки тары, упаковки и сырья. Он используется в холодильных установках.

Машиностроение

Заводы по выпуску машин применяют воду в процессах гальванизации деталей. Замкнутая система сокращает ее расход на 90%. Использование в схеме замкнутой системы выпарной установки позволяет направлять солевой концентрат на переработку. Очищенная жидкость идет на промывку деталей, а продукция из концентрата – на подготовку электролитических растворов.

Прогрессивный метод внедряют на бумажно-целлюлозном производстве, в горной промышленности, мойке транспортных средств, на прачечных комбинатах.

Невозможно избежать потерь воды в производственных условиях. Частичное уменьшение ее объема происходит вследствие испарения. В оставшейся жидкости повышается уровень минерализации. Это ведет к негативным последствиям: активной коррозии и отложению солей. Добавление свежей воды важно для восстановления количества и состава циркулирующей жидкости.

Схемы систем оборотного водоснабжения

Внимание. Потери жидкости в замкнутой сети составляют 3-5%. Они восполняются свежей водой из источника.

Устройство оборотной системы для автомойки

Технологические процессы, связанные с мытьем автомобилей, сопровождаются потреблением большого объема воды и загрязнением стоков нефтепродуктами и ПВА. Чтобы снизить опасность попадания опасных соединений в природную среду, внедряется система повторного использования стоков. Установка замкнутой системы водоснабжения на мойках позволяет экономить до 90% воды и 50% моющих средств.

Замкнутая система на автомойке

Внимание. Для мойки 10 автомобилей требуется 1 м3 воды, при использовании оборотной системы таким объемом жидкости можно вымыть до 50 машин.

Технические стоки на автомойке проходят несколько этапов очистки:

1. Стоки попадают в отстойник, накопительную емкость. С помощью механической фильтрации из воды удаляются крупные частицы загрязнения.
2. Напорным насосом жидкость подается в мембранный флотатор. Здесь происходит пропускание воздуха под давлением через керамические мембраны для насыщения стоков пузырьками. В результате образуется пена, абсорбирующая остатки нефтепродуктов и моющих средств. Напорная флотация удаляет мелкий шлам и взвеси. Эти частицы попадают в накопитель, откуда периодически удаляются для дальнейшей переработки.
3. После флотатора вода поступает в емкости с фильтрами для извлечения оставшихся частиц. Установка рассчитана на многократное использование, фильтры регулярно промываются обратным током воды, которая попадает в накопительную емкость для стоков.

Схема повторного водоснабжения мойки

Для окончательной обработки жидкости задействуется химическая (добавление реагентов) и биологическая очистка. Полное удаление загрязнений происходит микроорганизмами.

Помещение автомойки оборудуется двумя водными контурами. Они питают мощные аппараты для очистки транспорта. Один контур наполнен свежей водой, а второй – оборотной. Жидкость, используемая после переработки, применяется в первичной мойке. Им пользуются при нанесении моющих средств и предварительном смывании пены. Свежей водой осуществляется окончательное ополаскивание машин.

Внимание. Ополаскивание водой из прямого водопровода позволяет избежать появления белых разводов на поверхности автомобилей.

Оборотное водоснабжение автомоек составляет 90%, а на свежую воду для ополаскивания, приходится 10%. Установки для очистки стоков имеют различную производительность – от 3 до 40 м 3 /час. Системы малой мощности наиболее популярны, Они используются на большинстве автомоек с ручным и автоматическим оборудованием. Высокопроизводительные установки предназначены для крупных моечных комплексов, имеющих системы портального и туннельного типа. Их базовая комплектация:

• отстойники;
• фильтры;
• система флокуляции;
• датчики и манометры;
• насосы.

При необходимости комплексы дополняют устройствами умягчения воды, аэраторами, дозаторами реагентов и другими приспособлениями. Количество циклов повторного использования зависит от возможностей оборудования. Оно составляет от 50 до 70 оборотов с очисткой. Цикл завершается сбором и утилизацией жидкости.

Оборотная система для загородного дома

В частных домах, где есть возможность разделить сети канализации и водоснабжения практикуется установка замкнутой системы, уменьшающей в несколько раз объем потребляемой свежей воды. Ее внедрение – действенный способ экономии ресурсов. Система функционирует по принципу обратного осмоса. Одна из ее особенностей это необходимость периодической замены старой воды.

Оборудование для системы оборотного водоснабжения

Внимание. Один из плюсов оборотного водоснабжения загородного коттеджа – увеличение срока эксплуатации автономной скважины.

Обеспечить работу оборотного водоснабжения позволяет монтаж специального оборудования. Оно включает многоступенчатые фильтры, различные реагенты и коагулянты, доводящие химический состав жидкости до санитарных норм. Мощное очистное сооружение совмещает три типа процессов:

Контроль сети осуществляется автоматикой, показатели проверяются на соответствие заданным параметрам. Для поддержания эффективной работы комплекса требуются определенные климатические условия:

• монтаж системы вентиляции для циркуляции воздуха;
• температура не ниже отметки +5 0 .

Замкнутую структуру может иметь отопление и водопровод. В последнем случае происходит развитие биоценозов – совокупности микроорганизмов. Предотвратить составные части от биологического обрастания поможет периодическая промывка емкостей и труб. Специальные вещества полиалкиленгуанидины обеспечивают защиту от нескольких разрушающих факторов: коррозии, солей и биозарастания.

Для монтажа водоснабжения используются металлические трубы. Этот материал отличается прочностью и долговечностью, но под действием изменений в составе воды возникают коррозийные процессы. Применение пластика – оптимальный способ создания эффективной рециркуляции. Полимеры нейтральны к воздействию влаги, химических и биологических веществ, поэтому рекомендуются для создания замкнутых сетей.

Проблемы и недостатки оборотной системы

Установки для обеспечения повторного использования стоков не получили широкой популярности. Высокая цена и ограниченный выбор комплексов существенно сокращают круг потребителей. Значительное количество составных частей (фильтров, насосов, труб) увеличивает стоимость сети и усложняет ее эксплуатацию и обслуживание. Еще один минус – низкая производительность, для очистки требуется до 24 часов.

Совет. Несмотря на качественную очистку, воду не рекомендуется использовать для питья. Ей находят применение в хозяйственных целях – полив, мытье машины.

Процесс внедрения оборотного водоснабжения должен начинаться с анализа технологии предприятия. Проект системы учитывает базовые особенности и нюансы функционирования производства. Замкнутая сеть экономична и безопасна для экологии, эти характеристики выгодно отличают ее от других систем водопотребления.

Очистка сточных вод и оборотное водоснабжение прачечных предприятий

Д. В. Павлов, канд. техн. наук, руководитель отдела, Технопарк РХТУ им Д. И. Менделеева

С. О. Вараксин, канд. техн. наук, директор, Технопарк РХТУ им Д. И. Менделеева

В. А. Колесников, д-р техн. наук, профессор, ректор РХТУ им. Д. И. Менделеева

«В эру передовых технологий неэффективность – страшный грех перед Господом»

В статье рассмотрено применение наилучших доступных технологий очистки сточных вод прачечных предприятий и производств моющих средств, а также особенности построения очистных сооружений на их основе.

Последние годы проблема создания водооборота на предприятиях Российской Федерации стоит особенно остро. Повышение цен на водопотребление и водоотведение заставляет предприятия лихорадочно искать способы обеспечения рентабельности производств. При этом в различных технологических циклах требования к качеству оборотной воды различны. Соответственно и рынок производителей и поставщиков систем оборотного водоснабжения для получения воды высокого качества развивается довольно стремительно.

Промышленная стирка характеризуется несколькими параметрами: большой загрузкой оборудования и сложным циклом стирки. Как правило, цикл стирки содержит пять моющих этапов и последующее отбеливание. Затем следует до четырех полосканий с последующей промывкой, включающей мягкую кислоту для удаления щелочности и остатков отбеливателя. Кроме того, промывка удаляет карбонат кальция, накапливающийся из-за жесткости воды, который может приводить к выцветанию ткани и оставлять мелкий порошок. В процессе моющих этапов используются анионные (например, линейный алкилбензосульфонат), либо неионогенные (этоксилаты спиртов или фенолов) ПАВ. Мыла по-прежнему используются в промышленной стирке, но существенно меньше.

Обычно температура стирки около 80 °C, что ограничивает выбор неионогенных мягчителей из-за появления точек помутнения. Ведется разработка новых процессов стирки, позволяющих снизить температуру, расширяя, таким образом, использование неионогенных ПАВ. Долгое время высокие температуры и щелочная среда рассматривались как обязательный атрибут стирки в основном из-за широкого использования хлопка и мыла. С лучшими ПАВ, которые обладают усиленным действием и при пониженных температурах, подход к теоретическим и практическим вопросам стирки изменился.

Серьезной проблемой промышленной стирки является устойчивость к отбеливателям. Хлор здесь, как правило, применяется в более значительных концентрациях и при более высоких температурах, чем в бытовых условиях, и ПАВ должны их выдерживать. Пероксидные отбеливатели используются в сочетании с силикатом натрия, выступающим в качестве стабилизатора. Такой состав не влияет на действие ПАВ – силикат лишь способствует размельчению порошка при стирке.

Все более широкое применение при стирке находят ферменты. Пятна крови и масла часто присутствуют на больничных тканях и спецодежде. Для их удаления применяют липазы и протеазы. Использование ферментов предполагает строгий контроль над условиями, включая рН, температуру и ионную силу раствора – это предотвращает их дезактивацию. Подобные ограничения способствуют использованию более мягких реагентов, например, неионогенных ПАВ и пероксидных отбеливателей [1].

Таким образом, основными загрязнителями сточных вод прачечных предприятий являются: взвешенные вещества, анионные и неионогенные ПАВ, соли жесткости, а в отдельных случаях красители и нефтепродукты. Следовательно, на первом этапе необходимо удалить взвешенные вещества и нефтепродукты методом флотации; на втором удалить остаточные взвешенные нерастворимые частицы размером более 5 мкм методом фильтрации; на третьем этапе удалить растворимые органические вещества и соли жесткости методом нанофильтрации. Данное техническое решение дает возможность получить очищенную воду высокого качества для повторного использования.

Для прачечных предприятий и производств моющих средств специалистами Технопарка РХТУ им. Д. И. Менделеева разработаны и запущены в производство модульные установки очистки воды (МУОВ). Их преимущества – компактность, надежность в эксплуатации, простота монтажа и обслуживания, автоматизация, минимальные эксплуатационные затраты. В ходе разработки технологий очистки сточных вод применяются компьютерное моделирование и лабораторные испытания на пилотных установках с использованием модельных растворов.

Технологическая схема очистки сточных вод и оборотного водоснабжения прачечных предприятий с применением комбинирования флотации и нанофильтрации представлена на рис. 1.

Технологическая схема очистки сточных вод и оборотного водоснабжения прачечной

Р – реактор; Е – накопительные емкости и усреднители; Н – насосы Д/НД – станция приготовления и дозирования реагентов; ФММ –флотатор; К – компрессор; МФ – механический фильтр; НФ – установка нанофильтрации

В соответствии со схемой сточные воды поступают в реактор-смеситель Р1, где производится их усреднение и обработка коагулянтом для интенсификации флотационного процесса. Дозирование раствора коагулянта осуществляется насосом-дозатором НД1 из дозатора Д1. Перемешивание среды в реакторе Р1 осуществляется с помощью лопастной мешалки.

Из реактора-смесителя Р1 обработанные сточные воды самотеком поступают на флотатор, в котором происходит извлечение не менее 98 % взвешенных веществ и 40–60 % сорбирующихся на них органических веществ [2]. Во флотаторе в зависимости от его модификации:

• в результате протекания электролиза воды на нерастворимых электродах происходит насыщение воды микропузырьками электролитических газов дисперсностью 10–70 мкм, которые транспортируют загрязнения на поверхность воды [2]. Образующийся пенный слой (флотоконцентрат) периодически удаляется автоматическим пеносборным устройством с поверхности жидкости в сборник-фильтр Е4;
• в результате пропускания воздуха под давлением через пористые материалы (керамические мембраны), происходит насыщение воды микропузырьками воздуха, которые транспортируют загрязнения на поверхность воды. Присутствие ПАВ в растворе обеспечивает получение пузырьков воздуха малого диаметра 100–150 мкм и отсутствие их коалесценции. Кроме того, процесс флотации с диспергированием воздуха через пористые материалы имеет более низкие энергозатраты [3]. Флотоконцентрат аналогичным образом удаляется в сборник-фильтр.

Флотоконцентрат является полностью биоразлагаемым и, следовательно, подлежит стандартным методам утилизации по мере накопления.

Осветленная вода из флотатора самотеком поступает в накопительную емкость Е1, откуда насосом Н1 подается на доочистку на механический фильтр 5–20 мкм. Фильтр Ф1 периодически промывается обратным током со сбросом загрязнений в реактор Р1.

Очищенная от взвешенных веществ вода из фильтра поступает в накопительную емкость Е2, откуда насосом Н2 подается на установку нанофильтрации НФ для удаления ПАВ и молекул загрязняющих веществ массой более 200 Dalton, а также удаления солей жесткости (умягчения воды) перед ее возвратом на повторное использование.

Наибольшим достоинством нанофильтрации является снижение не только жесткости, но и щелочности, солесодержания, а также удаление механических, органических и биологических загрязнений при отсутствии необходимости использования реагентов и проблем с солевыми стоками при относительно простой схеме. В очищенной воде отсутствуют бактерии и вирусы, микрозагрязнения и хлорорганика, уменьшены жесткость и содержание сульфатов. При этом установки, базирующиеся на традиционных технологиях, для получения близкого эффекта должны включать несколько стадий очистки [4].

На рис. 2. представлена установка нанофильтрации номинальной производительностью 2 м 3 /ч. Установка включает в себя: узел микрофильтрации 5 мкм, мембранные модули, насос высокого давления, КИПиА, трубопроводы и фитинги.

Установка нанофильтрации МУОВ для очистных сооружений прачечной

Предварительно очищенная от взвешенных частиц вода поступает на насос мембранной установки. Под давлением, значение которого рассчитывается в зависимости от типа используемых НФ-элементов, вода проходит через мембранные модули, в которых происходит разделение исходного потока на фильтрат (пермеат) и концентрат.

Основные характеристики рулонных нанофильтрационных элементов различных производителей представлены в табл. 1.

*Условия испытаний: раствор NaCl = 500 мг/л, Т = 25 ˚С, pH = 6,5–7,0

Данная конструкция мембранной установки построена с использованием 6 мембранных элементов НФ (NF) типоразмера 4040, размещенных в прочных корпусах из стеклопластика FRP. Стеклопластиковые аппараты предназначены для непрерывного, долгосрочного использования в качестве корпусов для нанофильтрационных и обратноосмотических мембран и рассчитаны на давления от 20 до 70 бар для 4-дюймовых элементов, а также от 10 до 80 бар для 8-дюймовых элементов.

Мембранные элементы включены параллельно по фильтрату и последовательно по концентрату. Такое решение позволяет значительно повысить выход фильтрата и сократить объем концентрата. Концентрат частично сбрасывается в дренаж, при этом другая его часть подается обратно на вход насоса высокого давления по магистрали рециркуляции. Организация рециркуляции дает возможность дополнительно экономить 10–15 % дорогостоящей воды, благодаря вторичному использованию концентрата. Кроме того, присутствие в воде анионных поверхностно-активных веществ способствует очистке поверхности полупроницаемых мембран от органических загрязнений, восстановлению их первоначальной производительности, продлевает время между регенерациями мембран растворами реагентов (лимонной кислоты и гидросульфита натрия), продлевает срок службы нанофильтрационных элементов.

В итоге концентрат НФ, 15–20 % от исходного потока воды, поступает на сброс в канализацию. На финишном этапе для деструкции загрязненных ПАВ, содержащихся в концентрате, перед сбросом в канализацию возможна установка озонатора, но данное техническое решение является нерентабельным как по капитальным, так и по эксплуатационным затратам.

Фильтрат НФ, 80–85 % от исходного потока воды, собирается в накопительной емкости Е3 и подается насосом Н3 на повторное использование в процессе стирки.

Разработка и внедрение опытно-промышленного производства мембранных установок на основе отечественных и зарубежных композитных нанофильтрационных мембран, имеющих высокую селективность по ПАВ и солям жесткости, 90 % и более, делает их весьма привлекательными для удаления веществ с молекулярной массой более 200 Dalton.

В табл. 2 представлены среднестатистические данные по селективности рулонных фильтрующих НФ-элементов, полученные обобщением показателей большого числа эксплуатируемых различных нанофильтрационных установок [5].

Таблица 1 Сравнительные характеристики рулонных нанофильтрационных элементов

Модель мембранного элемента Диа- метр, ʺ Длина, ʺ Рабочее давление, бар Рабочая поверх- ность, м 2 Поток, м 3 /сут. Filmtec NF270-2540* 2,5 40 4,8 2,6 3,2 Filmtec NF270-4040* 4 40 4,8 7,6 9,5 Filmtec NF270-400* 8 40 4,8 37,0 55,6 Toray SU-610* 4 40 3,5 6,8 4,5 Toray SU-620* 8 40 3,5 28,0 18,0 Hydranautics ESNA1-4040* 4 40 5,2 7,9 8,0 Hydranautics ESNA1-LF* 8 40 5,2 37,1 31,0 Владипор ЭРН-КП-100-1016 4 40 до 16 – 10,8 Владипор ЭРН-КП-200-1016 8 40 до 16 – 48

Таблица 2 Среднестатистические данные по селективности нанофильтрационных элементов [4, 5]

Ион/Показатель Селективность, % Кальций 93–95 Магний 92–94 Железо (III) 98–99 Алюминий 95–98 Сульфаты 96–98 Фосфаты 90–95 Бикарбонаты 50–60 Силикаты 90–95 Хлориды 40–60 Общий органический углерод 90 ХПК 50–70 АПАВ 90–95 Цветность (красители) 95

Представленные данные свидетельствуют о получении воды высокого качества для оборотного водоснабжения, как прачечных предприятий, так и производств моющих средств.

В настоящее время специалистами РХТУ им. Д. И. Менделеева ведется разработка и пилотные испытания аналогичных систем водоочистки для объектов ЖКХ, энергетического комплекса и фармацевтической промышленности. При этом по уровню капитальных и эксплуатационных затрат разрабатываемые технологии в области оборотного водоснабжения и очистки сточных вод в 1,5–2,2 раза дешевле современных зарубежных аналогов.