Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Новые технологии подготовки воды для систем водоснабжения и теплоснабжения автономных жилых зданий

А. Г. Первов, д.т.н., преподаватель кафедры ВиВ НИУ МГСУ, руководитель секции «Водоснабжение» научно-экспертного совета консорциума «Строительство и архитектура»

Д. В. Спицов, к.т.н., директор ИИЭСМ НИУ МГСУ, ученый секретарь научно-экспертного совета консорциума «Строительство и архитектура»

А. О. Крупенко, к.э.н., исполнительный директор НАВВ, ответственный секретарь научно-экспертного совета консорциума «Строительство и архитектура»

Т. З. Аунг, аспирант кафедры ВиВ НИУ МГСУ

В развитых странах широко используется доочистка воды, поступающей из городского водопровода. Это многочисленные системы «у крана», системы подготовки питьевой воды в столовых, ресторанах, больницах и т. д. Установка мини-станций чистой воды в доме или офисе все чаще рассматривается как альтернатива покупке бутилированной воды — как по качеству, так и по экономическим соображениям. Многие современные объекты — медицинские оздоровительные центры и поликлиники, элитные жилые дома, офисные здания предъявляют повышенные требования к составу водопроводной воды по содержанию железа, бактерий, взвешенных веществ, а также по жесткости. Установка станций доочистки воды в зданиях связана с проблемами размещения, монтажа и эксплуатации (сервисного обслуживания). От выбранной технологии очистки зависит не только качество воды, но и габариты сооружений, затраты на монтаж и эксплуатацию, учитывающие объемы сточных вод и воды на собственные нужды.

В мировой практике накоплен обширный опыт разработки и применения различных технологий улучшения качества воды, подаваемой в водопроводную сеть. Однако в настоящее время все большее предпочтение отдается мембранным методам ввиду их относительно невысокой стоимости, компактности, простоты обслуживания [1]. Традиционные технологии с использованием напорных фильтров с загрузками из песка, угля и ионообменных смол громоздки, требуют затрат на эксплуатацию (замена загрузок или их регенерация), при их промывке и регенерации образуются стоки [1, 2].

Введение платы за пользование водопроводной водой и за сбросы в канализацию вынуждает использовать водоочистные системы, потребляющие минимальное количество воды и не имеющие сбросов [3]. Современные разработки систем водоподготовки с применением мембранных технологий позволяют снабжать инженерные системы качественной водой, обеспечивая надежность их работы [3, 4].

Современное состояние городского строительства требует подачи в здания не только качественной питьевой воды, удовлетворяющей требованиям СанПиН, но и воды для специальных технологических нужд: подпитки контуров теплосети и отопления, оросителей и испарителей систем кондиционирования воздуха, паровых котлов «крышных котельных» для систем теплоснабжения [3].

В зависимости от требований к качеству подготовленной воды в системах нанофильтрации используются мембраны с разными показателями селективности (солезадерживающей способностью). Для нужд подпитки теплосети и горячего водоснабжения карбонатный индекс KI очищенной воды в мембранных установках должен удовлетворять следующим условиям:

KI = [Ca⁺²]·[HCO^–₃] ≤ 2–5,

где [Ca⁺²] и [HCO^–₃] — концентрация кальция и щелочность, мг-экв/л.

В настоящее время целый ряд жилых объектов стремится перейти на автономное водоснабжение и теплоснабжение. Это позволяет существенно сократить плату за воду. Особенно эффективным представляется переход на автономное водоснабжение в районах, где для водоснабжения используются подземные воды. Подземные воды часто, помимо повышенного содержания железа и жесткости, содержат ряд растворенных загрязнений (таких как фториды, аммоний, стронций, литий, бор и др.), удаление которых из питьевой воды требует существенных затрат. Переход на автономное водоснабжение объекта позволяет использовать на объекте новые технологии, позволяющие более эффективно и дешево решить проблемы подготовки качественной воды и не зависеть от работы централизованного водоснабжения [2, 4]. Однако и в схемах автономного водоснабжения имеются различные подходы к решению проблем очистки воды, которые могут значительно отличаться как по величине капитальных, так и по величине эксплуатационных затрат. В настоящей статье проведено экономическое сравнение традиционного подхода к очистке подземных вод для получения воды питьевого качества и борьбы с коррозией трубопроводов горячего водоснабжения, а также новых разработок кафедры «Водоснабжения и водоотведения» НИУ МГСУ. Технологические схемы процессов водоподготовки для водоснабжения автономных объектов представлены на рис. 1.

Необходимой ступенью схемы является очистка подземной воды от железа (рис. 1). Для удаления железа используются различные технологии [1]. Наиболее широко применяемой технологией является использование каталитических загрузок [1]. В случаях, когда подземные воды содержат в повышенных концентрациях жесткость, фтор, стронций, литий, аммоний, для очистки дополнительно применяют установки обратного осмоса. В случае если исходная подземная вода имеет высокую жесткость, для использования ее в горячем водоснабжении следует умягчать исходную воду. Традиционно удаление жесткости производится с применением установок натрий-катионирования (рис. 1). Еще она статья затрат для автономного горячего водоснабжения — затраты на поддержание качества горячей воды — борьба с коррозией. Для борьбы с коррозией в системе горячего водоснабжения в поступающую в бойлеры воду дозируются ингибиторы коррозии. Среди наиболее эффективных ингибиторов следует выделить «Aминат-ДМ» (производство «Траверс», г. Москва). Для успешного контроля коррозионных процессов концентрация ингибитора в циркуляционном контуре горячей воды поддерживается на уровне 1 мг/л. Однако переходящие в воду ионы железа связываются с молекулами ингибитора, что снижает его ингибирующее действие и требует дозирования дополнительного количества ингибитора. Поэтому для борьбы с коррозией в системе горячего водоснабжения требуется постоянное дозирование ингибиторов коррозии, что существенно влияет на величину эксплуатационных затрат общей системы водоснабжения объекта.

Для экономического сравнения вариантов водоподготовки для хозяйственно-бытовых нужд, а также для горячего водоснабжения жилого здания проведено сравнение годовых эксплуатационных затрат всего комплекса оборудования. Расчеты затрат включают: для установки обезжелезивания: годовые затраты на замену загрузок (BIRM), а также затраты на сброс в канализацию промывной воды фильтров. Для установки натрий-катионитового умягчения (подготовки воды для контура горячего водоснабжения) определялись расходы на: годовое потребление таблетированной соли, годовые расходы на замену ионообменной смолы, а также расходы на сброс в канализацию регенерационных растворов и вод отмывки. Для эксплуатации контура горячего водоснабжения важной статьей затрат является постоянное дозирование в исходную воду ингибиторов коррозии. Для определения годовых затрат на эксплуатацию установки обратного осмоса определяются затраты на замену мембран, на дозирование ингибиторов осадкообразования, на проведение химических промывок мембран, на замену картриджей предочистки, а также затраты на электроэнергию и сброс концентрата в канализацию. Результаты расчета затрат представлены в табл. 1. Для расчетов использовали данные фирм — изготовителей оборудования и поставщиков загрузок фильтров, мембран и реагентов.

Для нового варианта водоподготовки использовали разработанный авторами подход к созданию схем питьевого водоснабжения, описанный в [2]. Сущность подхода к производству питьевой воды с применением мембран состоит в применении нанофильтрационных мембран с величиной средней селективности по солям 70%. Как показано в [2, 4], это позволяет сократить интенсивность осадкообразования, уменьшить дозу ингибитора до величины 1–2 мг/л, сократить расходы на химические промывки (табл. 2). Применение нанофильтрационных мембран позволяет разработать систему сокращения расхода концентрата до величины, не превышающей 5% расхода исходной воды, поступающей на очистку [2]. Для сокращения затрат в проекте отказались от системы предочистки с применением обезжелезивания, так как невысокая концентрация железа (до 1 мг/л) делает безопасной эксплуатацию установки при условии эффективного удаления железа при проведении химических промывок и одновременном удалении осадка карбоната кальция [5]. Применение нанофильтрационных мембран, имеющих более высокое значение удельной проницаемости, позволяет также сократить величину рабочего давления и общее количество мембранных аппаратов [5]. Для производства горячей воды эффективно использовать нанофильтрационные мембраны с величиной селективности 90% (табл. 2). Для этого часть аппаратов мембранной установки используют нанофильтрационные мембраны с более высокой селективностью, обеспечивающей снижение концентрации кальция на 90%, а щелочности на 80%. Это позволяет достичь качества воды на уровне требований для водогрейных котлов (величины карбонатного индекса — произведения кальция на щелочность 0,5). На рис. 2 показаны результаты определения скоростей образования осадка карбоната кальция в обратноосмотических и нанофильтрационных аппаратах в зависимости от значения коэффициента снижения объема исходной воды в установке: K = Q_и/Q_к. Благодаря применению нанофильтрационных мембран расход концентрата установки водоподготовки составляет не более 2,5–3% от расхода исходной воды, поступающей на очистку [6]. На рис. 3 представлены фото установки производительностью 30 куб. м в час, снабженной блоком мембранных аппаратов-концентраторов, позволяющих сократить расход концентрата до величины 1 куб. м в час.

Рис. 1. Технологические схемы водоподготовки для хозяйственно-питьевого и горячего водоснабжения автономных жилых объектов: a) традиционный подход к созданию схемы водоподготовки: 1 — приемный бак исходной воды; 2 — насос подачи воды на очистку; 3 — фильтры обезжелезивания; 4 — промежуточный бак обезжелезенной воды; 5 — промежуточный насос подачи на фильтры предочистки перед системой обратного осмоса; 6 — патронные фильтры предочистки; 7 — рабочий насос установки обратного осмоса; 8 — установка обратного осмоса; 9 — система дозирования ингибитора осадкообразования для системы обратного осмоса; 10 — система дозирования ингибитора коррозии; 11 — система натрий-катионитового умягчения; 12 — растворный бак таблетированной соли; 13 — рабочий насос установки ультрафильтрации; 14 — установка ультрафильтрации;
б) использование новых разработок для сокращения расхода концентрата мембранных установок и для борьбы с коррозией

Рис. 2. Сравнение скоростей образования осадка карбоната кальция (зависимости скорости образования карбоната кальция от коэффициента концентрирования воды в установке К) в промышленных рулонных мембранных аппаратах с различными мембранами: 1 — аппарат с обратноосмотическими мембранами BLN, доза ингибитора «Аминат-K» — 5 мг/л; 2 — аппарат с нанофильтрационными мембранами 90 NE, доза ингибитора «Аминат-К» — 1 мг/л; 3 — аппарат с нанофильтрационными мембранами 70NE, доза ингибитора «Аминат-К» — 1 мг/л

Рис. 3. Установка обратного осмоса производительностью 30 куб. м в час для водоснабжения автономных объектов с системой сокращения расхода концентрата до 1–0,5 куб. м в час

При неравномерном отборе горячей воды, при преимущественном отборе в течение дневного времени, в ночное время вода циркулирует в контуре и происходит коррозия. Решение проблемы очистки циркулирующей воды от железа производится при использовании принципа «байпасной» очистки. Этот принцип заключается в непрерывном удалении накапливаемых в циркулирующей воде загрязнений путем пропускания ее через специальные фильтры. Производительность установки «байпасной» очистки подбирается таким образом, чтобы в течение суток через нее прошел весь объем циркулирующей в системе воды (рис. 4). Для очистки горячей воды используются половолоконные ультрафильтрационные мембраны, имеющие размер пор порядка 0,01 микрона, что позволяет им эффективно задерживать самые мелкие коллоиды гидроокиси железа. Ультрафильтрационная система «байпасной» очистки горячей воды производительностью 1000 литров в час представлена на рис. 5. Принцип работы системы ультрафильтрации состоит в фильтровании воды через ультрафильтрационные мембраны при низком давлении (0,5–2,0 бар). При этом на мембране образуется слой рыхлого осадка гидроокиси железа, который, по мере накопления, снижает производительность мембраны. Фильтроцикл, в зависимости от содержания в воде железа, длится от 10 до 30 минут. После окончания фильтроцикла следует цикл промывки. При этом очищенная (прошедшая через мембраны) вода подается под давлением в канал фильтрата «обратным током», проходит через мембрану, разрушает осадок и выносит его в канализацию. Продолжительность цикла промывки составляет от 20 до 40 секунд. Включение и выключение циклов промывки производятся автоматически с применением магнитных клапанов и реле времени. Для подбора установки байпасной очистки требуется знание скорости растворения железа, максимального значения концентрации железа в воде, циркулирующей в контуре в течение суток, значение циркуляционного расхода в контуре. Значение периода работы между проведением автоматизированных промывок (времени фильтроцикла) и продолжительности обратной промывки, а также величины рабочего давления и давления промывной воды определяются на основании проведенных исследований (рис. 6, 7 и 8).

Рис. 4. Принцип «байпасной» очистки горячей воды от железа с применением установки ультрафильтрации

Рис. 5. Внешний вид установки ультрафильтрации для «байпасной» очистки горячей воды циркуляционного контура системы горячего водоснабжения гостиницы «Хаятт» (Москва). Производительность — 1000 литров в час

Рис. 6. Изменение концентраций железа в пробах промывной воды в зависимости от времени проведения промывки установки ультрафильтрации

Рис. 7. График изменения производительности установки в течение фильтроцикла

Рис. 8. Определение оптимального режима работы установки: определение N — частоты проведения автоматизированных промывок в час

В табл. 1 представлены результаты расчетов по определению величин эксплуатационных затрат установок, используемых в схеме очистки. Так, для установки обезжелезивания производительностью 30 куб. м/час в качестве загрузки используется гранулированный материал ВIRM, поставляемый в мешках объемом по 28,3 л и стоимостью 4340 рублей. Для загрузки фильтров требуется 61 мешок. Частота замены загрузки в фильтрах обезжелезивания составляет один раз в два года. Стоимость замены загрузок составляет 132 370 рублей в год.

Для эксплуатации установки обратного осмоса традиционно используется дозирование ингибитора осадкообразования в исходную воду. Используется ингибитор «Аминат-K» производства фирмы «Траверс» (г. Москва). Доза ингибитора традиционно принимается 5 мг/л. Ингибитор поставляется в канистрах по 22 кг стоимостью 14 000 рублей. Общее количество закупаемого в год ингибитора составит 876 кг (40 канистр) стоимостью 560 000 рублей.

Для умягчения воды (в установке водоподготовки для горячего водоснабжения) используется установка натрий-катионирования производительностью 6 куб. м в час. Для используемого в ней катионита «Акваион ДС-118» (объем 325 л) стоимость поставки составляет 120 руб/литр. Замена смолы производится один раз в четыре года, стоимость замены смолы составляет 9750 рублей в год. Расчеты показали, что для регенерации натрий-катионитовых фильтров требуется 25,74 кг технической соли в сутки. Для эксплуатации установки в течение одного года потребуется 376 мешков соли «Промсалт» стоимостью 1400 рублей, годовые затраты на соль составят 564 000 рублей.

Ингибитор коррозии «Аминат ДМ» дозируется в систему горячего водоснабжения для поддержания дозы 1 мг/л в объеме воды циркуляционного контура.

Годовое количество ингибитора составляет 744,6 кг. Ингибитор поставляется в канистрах по 22 кг. Использование установки ультрафильтрации для байпасной очистки горячей воды позволяет сократить скорость загрязнения горячей воды коллоидами железа и вдвое сократить количество используемого ингибитора.

Таким образом, как следует из табл. 1, применение новой усовершенствованной технологии водоподготовки позволяет значительно сократить эксплуатационные затраты на оплату холодной и горячей воды за счет сокращения сбросов в канализацию и за счет сокращения затрат на закупку реагентов.

Таблица 1. Сравнение технико-экономических показателей различных схем водоподготовки

Таблица 2. Состав воды из скважины, содержащей литий (г. Видное) и качество пермеата

Выводы

Как показывают результаты расчетов, применение мембран с низкой селективностью позволяет довести выход фильтрата до 96%, что в условиях высокой платы за воду делает системы нанофильтрации экономичными в отношении расходов на собственные нужды. Себестоимость очистки снижается с увеличением выхода фильтрата, что достигается использованием низкоселективных мембран (рис. 13, б), при этом ухудшается качество фильтрата. Выбор оптимального типа мембран определяется соображениями себестоимости, уровня загрязненности исходной воды и глубины ее очистки.

Описанные технологии применяются при разработке:

— систем очистки воды для централизованного водоснабжения: станции очистки поверхностной воды и станций очистки подземной воды производительностью до 10 тыс. м³/ч (системы полностью безреагентные);

— систем очистки воды для микрорайонов и комплексов промышленных и торговых зданий;

— систем улучшения качества водопроводной воды для отдельных жилых и офисных зданий;

— систем подготовки воды подпитки теплосетей и бойлеров жилых и промышленных зданий;

— систем улучшения качества воды из технических водопроводов городских предприятий;

— систем подготовки питательной воды паровых котлов среднего и высокого давления («крышных котельных» и мини-ТЭЦ) для теплоснабжения зданий или городских жилых комплексов (ЦТП) в комбинации систем нанофильтрации с системами обратного осмоса.

В разработанных технологиях очистки воды на основе методов ультрафильтрации и нанофильтрации для систем водоснабжения и теплоснабжения городских зданий применяется компактное, легко монтируемое оборудование с простым наращиванием мощности. При этом обеспечивается автоматизированный круглосуточный режим работы, не требуются реагенты и расходные материалы, сервисное обслуживание проводится не чаще, чем через шесть месяцев непрерывной работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Первов А. Г. Технологии очистки природных вод. Учебное издание. — М.: Издательство АСВ, 2016. — 600 с.
2. Первов А. Г., Андрианов А. П., Спицов Д. В., Рудакова Л. В. Новые технологии и аппараты на основе методов ультра- и нанофильтрации для систем водоснабжения и теплоснабжения. Водоснабжение и санитарная техника, 2009, 7, стр. 12–19.
3. Первов А. Г., Бондаренко В. И., Жабин Г. Г. Применение комбинированных систем обратного осмоса и ионного обмена для подготовки питательной воды паровых котлов // Энергосбережение и водоподготовка. 2004. № 5.
4. Первов А. Г., Андрианов А. П., Спицов Д. В. Программа для технологического расчета систем нанофильтрации // Водоснабжение и сантехника. 2008. № 11.
5. А. Г. Первов, А. П. Андрианов, Р. В. Ефремов, В. А. Головесов. Новая технология сокращения расходов концентратов установок обратного осмоса. Мембраны и мембранные технологии, 2021, том 11, № 6.
6. А. Г. Первов, В. А. Головесов, Г. Я. Рудакова, Д. В. Спицов. Выбор мембран и сервисных реагентов для мембранных установок, применяемых для обработки подземных вод. Вестник МГСУ, 2020, т. 15, вып. 11.

Скачать PDF-версию статьи «Новые технологии подготовки воды для систем водоснабжения и теплоснабжения автономных жилых зданий»