Системы оборотного водоснабжения

Никакое современное предприятие не может обойтись без использования воды. Особенно это относится к предприятиям химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, черной металлургии и целлюлозно-бумажной промышленности. Например, крупное химическое предприятие потребляет в сутки до 1 млн. м³ воды, и количество используемой воды постоянно растет. Расход свежей воды в основном определяется следующими факторами: видом вырабатываемой продукции, мощностью предприятия, совершенством технологического процесса производства продукции, типом и совершенством применяемого оборудования, степенью автоматизации производства, квалификацией обслуживающего персонала, общей культурой производства и существующими традициями, дефицитом воды на предприятии и т. д.

Для подачи воды предприятия устраивают системы промышленного водоснабжения. Системой водоснабжения (водопроводом) называют комплекс инженерных сооружений, предназначенных для получения воды из природных источников, ее очистки, транспортирования, хранения и подачи потребителю. Устройство водопроводов регламентировано нормативами, определяющими их проектирование и строительство.*

В общем случае выбор системы водоснабжения определяется множеством факторов, начиная с типа производства и кончая тем, что за источник воды, где он находится и каково его качество. По характеру использования воды системы производственного водоснабжения подразделяются на прямоточные с последовательным использованием воды, с оборотным использованием воды, смешанные системы, включающие прямоточное и последовательное или оборотное использование воды.

При прямоточном водоснабжении вся забираемая из водоема вода (Qист) после участия в технологическом процессе (в виде отработавшей) возвращается в водоем, за исключением того количества воды, которое безвозвратно расходуется в производстве – Qпот. Количество отводимых в водоем сточных вод составляет:

Q_сбр = Q_ист – Qпот.

Следует отметить, что сточные воды в зависимости от вида загрязнений и других условий перед сбросом в водоем могут проходить очистные сооружения. В этом случае количество сбрасываемых в водоем сточных вод уменьшается, поскольку часть воды отводится со шламом.

При схеме водообеспечения с последовательным использованием воды, которое может быть двух-трехкратным, количество сбрасываемых сточных вод уменьшается в соответствии с потерями на всех производствах и на очистных сооружениях:

Q_сбр = Q_ист - (Q_пот1 + Q_пот1+ Q_шл).

При решении задач размещения различных предприятий в первую очередь учитывается возможная схема канализации, водоснабжения данного места или района. При этом частым препятствием являются условия спуска сточных вод. Поэтому всегда важен и необходим тщательный анализ балансовых схем водоснабжения предприятия, расчет возможного разбавления сточных вод, необходимых методов их очистки и т.д.

С этих точек зрения в настоящее время в водоснабжении предприятий большое значение начали приобретать замкнутые системы - частично или полностью оборотное водоснабжение. Преимущества таких систем очевидны и с точки зрения производства и с точки зрения санитарной охраны водоемов. Хотя самым современным решением экологических проблем в области водно­го хозяйства является вообще прекращение сброса, а водоемы даже очищенных сточных вод.

Оборотное водоснабжение может быть осуществлено как единая система для всего предприятия или в виде отдельных циклов для цеха или группы цехов. Количество систем на заводе устанавливается с учетом особенностей и характера производства, назначения воды и, конечно, требований к ее качеству.

Здесь необходимо сделать небольшое отступление. На современных предприятиях различных отраслей промышленности вода расходуется для самых разнообразных целей. Например, на химических предприятиях она преимущественно идет на охлаждение действующих агрегатов, для питания котлов, очистки вы­пускаемого продукта, как составная часть выпускаемой продукции, для перемещения материала и устранения промышленных отходов и т.д. Требования к воде в каждом конкретном случае различны и зависят от ее назначения и установленного технологического оборудования.

* СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения. М., 1986. 72 с.

Однако в большинстве случаев основным и непременным условием является освобождение воды от взвешенных веществ. Их допустимое количество устанавливается в каждом случае отдельно. Например, допустимая концентрация взвесей в охлаждающей воде теплообменных агрегатов зависит и определяется скоростью потока, которая должна исключать возможность их осаждения. Если концентрация взвесей велика, то оборотная и подпитывающая воды должны подвергаться дополнительной очистке. В данном случае необходимо также помнить, что взвешенные вещества являются центрами кристаллизации солей жесткости и могут служить цементирующей основой при их отложении на аппаратуре. То есть используемая техническая вреда должна сохранять свою термостабильность - ее нагрев не должен приводить к отложению карбонатов кальция и магния. Естественно, что вода не должна вызывать и коррозии металлов. В таблице 1 приведены общие требования к качеству воды теплообменных агрегатов.

Таблица 1 Общие требования к воде, используемой

в теплообменных агрегатах

Показатель	Допустимое значение	Условия
Мутность, мг/л	50-200	Зависит от типа холодильника
Содержание, мг/л:
H2S	0.5	-
гипса	1500-2000	-
Карбонатная жесткость, мг-экв/л	2-7	При t нагрева 20-50ºС

Естественно, существуют и более жесткие требования к качеству оборотной технической воды (например, в питании паровых котлов). Требования в каждом случае свои, а показатели в основном одни и те же, главными из которых являются концентрации растворенного кислорода, солей жесткости и взвешенных веществ. Научно обоснованных допустимых концентраций вредных веществ для оборотных вод нет. Например, в черной металлургии во многих случаях концентрация фенола в воде в 1000 раз и более может превышать его ПДК и, тем не менее, не влиять на качество продукции и оборотное водоснабжение.

В оборотном водоснабжении могут использоваться три категории воды соответственно трем основным схемам существующего оборотного водоснабжения.

1-я схема применяется, когда вода является теплоносителем и в процессе использования лишь нагревается, не загрязняясь, те изменяется ее термостабильность. В системе оборотного водоснабжения эта вода перед повторным использованием на те же цели предварительно охлаждается в прудах, брызгальном бассейне или на градирне (рис. 3).

2-я схема применяется, когда вода служит средой, поглощающей и транспортирующей механические и растворенные примеси, и в процессе использования не нагревается, а загрязняется. В системе оборотного водоснабжения эта вода перед повторным использованием подвергается очистке от порученных ею загрязнений в прудах-осветлителях, отстойниках, фильтрах и т.п. (рис. 4).

Рис. 3. Схема оборотного водоснабжения:

1 - производство; 2 - насосная станция; 3 -обработка добавочной воды; 4 - охладитель; Qпп - потери воды в производстве; Qo - расход отработавшей воды; Qисп - потери воды на испарение; Q_ун - унос воды при охлаждении; Q_сбр - потери воды на сброс; Qдоб - расход добавочной воды; Q_п -количество воды, по­даваемой производству

Рис. 4. Схема оборотного водоснабжения:

1 - производство; 2 - насосная станция; 3 - обработка добавочной воды; 4 - водоочистные установки; Qoc - унос воды с осадком

3-я схема применяется, когда вода является средой и одновременно служит теплоносителем (осадителем продукта), т. е. и нагревается, и загрязняется. Перед повторным использованием в системе оборотного водоснабжения ее очищают от загрязнений и охлаждают (рис. 5).

Рис. 5. Схема оборотного водоснабжения:

1 - производство; 2 - насосная станция; 3 - обработка добавочной воды; 4 - охладитель; 5 - водоочистные установки

Эффективность использования воды на промышленных предприятиях оценивается тремя показателями.

1. Техническое совершенство системы водоснабжения оценивается количеством использованной оборотной воды Р_об, %:

Q_об

Р_об =- ----------------------------100, (1)

Q_ОБ + Q_ИСТ + Q_с

где Qoб, Qиct и Q_c - количество воды, используемой в обороте, забираемой из источника и поступающей в систему водоснабжения с сырьем.

2. Рациональность использования воды, забираемой из источника, оценивается коэффициентом К_и:

Q_ист + Q_с – Q_сбр

Kи = -------------------------------------------≤ 1 (2)

Q _ист + Q_с

3. Потери воды (%) определяются по формуле:

Q_ист + Q_с – Q_сбр

Р _пот = -------------------------------------------100, (3)

Q_ист + Q_с + Q_посл + Qоб

где Qпосл - количество воды, используемой в производстве последовательно.

Таким образом, смысл создания замкнутых оборотных систем заключается в объединении водопровода и канализации и в исключении из схемы водоема. Однажды взятая из водоема вода все время обращается в этой объединенной системе; загрязненная в технологических процессах, она очищается, снова загрязняется и снова очищается. У этой оборотной системы есть некоторое сходство с системой кровообращения в человеческом орга­низме. Кровь, двигаясь по артериям («водопроводная система»), обеспечивает физиологические процессы организма, затем по венам («канализационная система») уносит «отходы» этих процессов, освобождается от них в легких («очистные станции»), снова возвращается в артериальную систему. Правда, такая оборотная система не полностью замкнута: она забирает из окружающей атмосферы кислород и имеет отходы, выделяемые в атмосферу (диоксид углерода, пары воды). Но и оборотные системы водоснабжения, указанные выше и действующие сейчас в промышленности, также не ограничиваются единовременным забором свежей воды. Им приходится покрывать из водоема потери воды, обращающейся в производстве, и сбрасывать некоторые жидкие отходы.

Дело в том, что при обороте воды в системе часть ее теряется. Такие потери происходят от испарения в охлаждающих устройствах, от естественного испарения с поверхности прудов и открытых очистных сооружений, при удалении влажных осадков и шламов, а также непосредственно в химических реакциях, которые идут с участием воды. Так как количество воды в системе оборотного водоснабжения должно поддерживаться постоянным, то ее убыль должна возмещаться добавочной водой.

Но кроме восполнения количества воды, нужна еще и ее качественная компенсация. Это связано с тем, что при циркуляции в системе вода подвергается различным физико-химическим воздействиям (упаривание, охлаждение, нагревание и т.д.). При этом в воде увеличивается концентрация минеральных солей, изменяется ее термостабильность, вода приобретает способность к отложению накипей на стенках трубопроводов. Последнего нежелательного эффекта можно избежать применением различных технологических приемов, но и в этом случае воду, содержащую много солей, приходится сбрасывать. Это достигается освежением циркулирующей воды или, как принято называть этот процесс, подпиткой, при сбрасывании некоторого ее количества в водоем (продувка системы) и заборе взамен свежей воды. Количество такой воды в зависимости от различных факторов может составлять 5-10% от ее общего количества в системе.

Как уже было сказано выше, продувка оборотных вод проводится с целью уменьшения их солесодержания и увеличения их термостабильности. Поэтому без сброса продувочных вод могут работать только системы с умягченными или гидрокарбонатными водами с общим низким солесодержанием. При большом же содержании солей есть два выхода. Первый выход заключается в том, что можно обессолить или продувочные воды, или подпитывающую воду (ионированием). Экономичнее, оказывается, корректировать состав продувочных вод и возвращать их в оборотную систему. Это связано и с меньшим объемом продувочных вод, и с уменьшением загрязнения водоемов, и с другими факторами. Методы обработки продувочных вод, конечно, зависят от конкретного производства.

Второй путь исключения сброса продувочных вод заключается в использовании для подпитки оборотной системы маломинерализованных или очищенных промышленных сточных вод и, прежде всего вод, подвергшихся биологической очистке. Такие воды дополнительно очищаются от органических веществ и в случае необходимости обессоливаются и умягчаются.

Использование очищенных сточных вод в водоснабжении предприятий является в настоящее время важным направлением в решении задач рационального использования и прекращения загрязнения водоемов. Существенным моментом является и то, что для предприятий становится гораздо экономичнее обработать сточные воды для возврата их в производство, чем очистить для сброса в водоем, так как санитарные условия спуска сточных вод в водоемы очень жесткие.

РИМСКИЙ КЛУБ И «ПРЕДЕЛЫ РОСТА»

В конце 60-х гг. все громче звучали голоса, предупреждающие об угрожающих явлениях и тенденциях, которые получают планетарный масштаб и могут иметь необратимые последствия для судеб всего человечества. Однако голоса эти звучали в пустыне.

Казалось бы, глобальные проблемы, от решения которых в конце концов зависит будущее мира, немедленно должны были стать главной заботой народов Земли, общественных и политических деятелей, правительств. Но и по сей день политики в борьбе за власть заняты лишь тем, что может повлиять на их судьбу во время очередной выборной кампании; общественное сознание неизбежно отстает от реальности, признает новое только по прошествии времени, а новизна быстро теряет остроту. Истина, по словам Гегеля, рождается как ересь и умирает как предрассудок. Когда прошел шок от ядерной бомбардировки Хиросимы, люди успокоили себя рассуждениями о том, что никто никогда больше не применит ядерное оружие, или что именно он конкретный человек избежит гибели. Новый шок - Чернобыль - показал, как мало мы знаем о последствиях и масштабах радиоактивного заражения, и никого не заставил серьезно задуматься о проблемах хранения ядерного оружия и ядерных отходов. Таково уж свойство людей - в несчастье тешить себя надеждами.

Способность человека воспринимать новую информацию вообще ограничена, а если он существует в нищенских условиях, не имеет ни еды, ни жилья, его вряд ли взволнует перспектива уничтожения всего живого в ядерном пожаре или экологическое бедствие. Мы ясно видим, как сложившаяся сегодня в нашей стране ситуация отодвигает грядущие глобальные опасности на второй план - внимание накаленного общества направлено на борьбу за выживание.

В массовом и в индивидуальном сознании всегда присутствуют некие психологические “ограничители”, затрудняющие понимание подлинной сложности объектов и процессов реальности. Однако они не имманентны человеческому сознанию, их можно преодолеть, настойчиво доводя до него информацию в более доступной или в непривычной форме.

Примерно в этом русле рассуждали члены Римского клуба, задавшись целью, по словам Аурелио Печчеи “воззвать к людям планеты”. В 1969 году Печчеи выпустил в свет книгу-предупреждение “Перед бездной”, вместе с единомышленниками выступал с лекциями в разных странах мира, но позже признавался: “... наши упорные скитания по свету не привели, по сути дела, ни к каким ощутимым результатам - как будто бы глобальные проблемы, к которым мы стремились привлечь всеобщее внимание, касались вовсе не нашей, а какой-то иной, далекой планеты. Создавалось впечатление, что большинство людей, которых мы встречали в наших странствиях, готовы были всячески приветствовать создание Римского клуба - при условии, однако, что он никоим образом не будет вмешиваться в их повседневные дела и не посягнет на их интересы. В общем, нам оставалось констатировать, что никто не только не выразил готовности уделить благу будущего всего человечества хоть какую-то долю своего времени, денег или общественного престижа и влияния, но даже, по-видимому, и не верил, что подобные жертвы с их стороны могут привести хоть к каким-нибудь положительным результатам. Короче говоря, наши слова нашли не больше отклика, чем проповеди папы римского, увещевания Генерального секретаря ООН У. Тана или, скажем, предостережения обеспокоенных ученых и мыслителей. Создавалось впечатление, что их забывали еще до того, как слышали...” (Печчеи А. Человеческие качества. С. 127).

Поставив целью исследовать ближайшие и отдаленные последствия крупномасштабных решений, связанных с выбранными человечеством путями развития. Римский клуб должен был облечь результаты работ в такую форму, которая сделала бы их достоянием широкой публики и одновременно весомым аргументом для людей, принимающих решения. Поиски такой формы были делом нелегким. С еще большими - принципиальными - трудностями столкнулись попытки организовать систематическое научное исследование глобальных проблем в их взаимосвязи.

К тому времени уже оформилось понятие “глобальной проблематики”. “В пределах этой проблематики трудно выделить какие-то частные проблемы и предложить для них отдельные, независимые решения - каждая проблема соотносится со всеми остальными, и всякое очевидное на первый взгляд решение одной из них может усложнить или как- то воздействовать на решение других. И ни одна из этих проблем или их сочетаний не может быть решена за счет последовательного применения основанных на линейном подходе методов прошлого. Наконец, над всеми проблемами нависла еще одна трудность, недавно появившаяся и перекрывающая все остальные. Как показал опыт, на определенном уровне развития проблемы начинают пересекать границы и распространяться по всей планете, невзирая на конкретные социально-политические условия, существующие в различных странах, - они образуют глобальную проблему...”.