+7 (343) 247-81-32

Инжиниринг Производство Строительство и монтаж

Публикации

18.07.2014

Технологии и оборудование для переработки промышленных сточных вод, обеспечивающие замкнутый водооборот

Ковзель В.М., Малышев А.Б., Молостова Л.В., Шабуров В.Ю. (ЗАО «НПП «Машпром»), Родина И.В., Линников О.Д. (Институт химии твёрдого тела (ИХТТ) Уро РАН)

Как показывает анализ работы очистных сооружений промышленных предприятий, на абсолютном большинстве сооружений используются реагентные методы, в частности очистка с выделением и отделением осадков тяжёлых и цветных металлов. Все легкорастворимые соли (фосфаты, нитраты, хлориды, сульфаты, фториды) остаются в сточных водах. Это делает практически невозможным повторное использование данных вод в технологии и предприятия, как правило, сбрасывают их в промканализацию или близлежащие водоёмы. А это, в свою очередь, приводит к значительному загрязнению окружающей среды.

Поэтому перед разработчиками была поставлена задача спроектировать очистные сооружения, в состав которых входил бы узел по очистке стоков от легкорастворимых соединений с получением обессоленной воды требуемого качества и влажного осадка.

Одной из наиболее отработанных в аппаратурном оформлении технологий, позволяющих решить данную задачу, является термическое обессоливание.

Следует отметить, что как у нас в стране, так и за рубежом, на ряде промышленных предприятий успешно эксплуатируются выпарные и кристаллизационные установки.

Проблема состояла в том, что подлежащие очистке сточные воды предприятий существенно отличаются от технологических растворов:

  • многообразие химического состава стоков (до 30–40 компонентов);
  • переменный состав сточных вод;
  • наличие большого количества взвеси;
  • наличие органики и накипеобразующих элементов;
  • наличие легколетучих примесей, в частности аммиака.

Кроме этого, для сточных вод характерна высокая коррозионная агрессивность и очень существенным фактом является специфика очистных сооружений с точки зрения обеспечения технологической дисциплины и культуры производства. То есть создаваемое оборудование должно быть простым в обслуживании и надёжным в эксплуатации.

Поэтому для разработки технологии выпаривания сточных вод потребовались дополнительные исследования по отработке технологии концентрирования и аппаратурному оформлению.

Первые аппаратурно-технологические схемы были разработаны специализированными организациями «Росатома» для переработки одних из наиболее токсичных сточных вод — стоков гальванических и травильных производств.

На данных производствах образуются, как правило, два вида сбросных растворов:

  • промывные воды;
  • отработанные концентрированные растворы из ванн травления и гальванических ванн.

Структурная схема очистных сооружений представлена на рисунке 1 и включает три основных передела:

  1. узел очистки промывных вод на ионообменных фильтрах;
  2. узел реагентной обработки концентрированных растворов;
  3. узел переработки элюатов и обезвреженных концентрированных растворов на выпарной установке.

Первые очистные сооружения данного типа были запущены в 1987 году на Уральском электромеханическом заводе (г. Свердловск, сейчас — Екатеринбург). Позднее, аналогичные очистные сооружения были внедрены также на заводе «Сигнал» (г. Жёлтые воды, Украина), на Приборном заводе (г. Саров, Нижегородская обл.), на Уральском электрохимическом комбинате (г. Новоуральск, Свердловская обл.). Следует отметить, что рассмотренные выше очистные сооружения были разработаны практически для всех приборных заводов «Росатома». Применение выпарных аппаратов оригинальной конструкции, обеспечивающих эффективную работу при выпаривании растворов «на кристалл», и отстойной центрифуги, позволяющей разделять мелкодисперсную суспензию, позволило обеспечить замкнутый водооборот. Конечными продуктами переработки являлись обессоленная вода требуемого качества и кристаллический осадок с влажностью 13–15 %.

Пуск и последующая эксплуатация таких установок подтвердили правильность принятых технических решений. В первую очередь это касается типа примененных выпарных аппаратов.

Как известно из практики эксплуатации выпарного оборудования, одним из узких мест в нём является образование инкрустаций на теплообменной поверхности. Это приводит к снижению коэффициента теплопередачи и, соответственно, уменьшению производительности аппаратов и очистных сооружений в целом.

Разработанные конструкции аппаратов и технологический режим их эксплуатации позволили обеспечить длительный межпромывочный период работы выпарного оборудования (от 3 до 6 месяцев). Это очень высокий показатель.

Получаемая обессоленная вода содержала не более 60–80 мг/л примесей и возвращалась в технологию. Влажность осадка не превышала 15 %. Он затаривался в мешки и отвозился в специальные неотапливаемые хранилища или на полигон бытовых отходов. Следует отметить, что его использование где-либо в технологии затруднялось многокомпонентностью состава. Возможный вариант применения — приготовление из него концентрированного рассола и закачка в отработанные нефтяные скважины с целью их консервации.

К сожалению, рассмотренная выше технология имеет и очень существенный недостаток. Количество получаемого осадка значительно превосходило количество примесей, поступающих со сточными водами на очистные сооружения. Как показал последующий анализ, основную долю в получаемом осадке составляют реагенты, которые вводятся в процесс при регенерации ионообменных смол. Это обусловлено тем, что для вывода из смолы 1 грамм-моля примеси необходимо затратить 3–4 грамм-моля кислоты или щёлочи. Поэтому объём получаемого осадка был достаточно велик.

Учитывая данную ситуацию, была разработана альтернативная технология очистки сточных вод без использования ионного обмена.

На рисунках 2–3 показаны блок-схемы таких очистных сооружений. Данные установки были разработаны для Уральского электрохимического комбината (г. Новоуральск) и Уральского оптико-механического завода (г. Екатеринбург).

Как видно из приведенных блок-схем, технология очистки включает в себя реагентную обработку отдельных локальных стоков с выделением в твёрдую фазу гидроокисей металлов, смешение слабо-концентрированных обезвреженных стоков с последующим сгущением и отделением осадка. Далее предусматривается разделение осветлённых промывных вод. Часть потока направляется сначала на стадию концентрирования, где осуществляется процесс упаривания в многокорпусных выпарных установках, и далее, совместно с концентрированным обезвреженным потоком, отводится на узел выпаривания «на кристалл». Получаемый влажный осадок солей затаривается и вывозится на полигон, а обессоленная вода смешивается с оставшейся частью осветлённой воды и направляется в основное производство. Соотношение разделяемых потоков зависит от требований к качеству воды, возвращаемой на повторное использование.

Реализация данной технологии позволяет снизить расход реагентов в 3–4 раза и, соответственно, значительно уменьшить количество получаемых осадков. Кроме этого, учитывая «всеядность» выпарного оборудования, данная технология обеспечивает требуемую очистку сточных вод при значительных изменениях в них как качественного, так и количественного состава примесей, а также непосредственно объёмов поступающих стоков.

Следует отметить, что ГОССТАНДАРТ России выдал сертификат соответствия за № РОСС RU.11301.С00036 на вышеприведенные проектные решения.

Вместе с тем, при реализации данной технологии возрастают затраты свежего греющего пара и оборотной воды. При одинаковом расходе сточных вод на очистные сооружения в количестве 100–150 м3/ч, в процессе очистки сточных вод по технологии, представленной на рисунке 1, непосредственно на выпарную установку отводится 5–7 м3/ч концентрированных растворов (так как основная масса сточных вод очищается на ионообменных установках). Соответственно, расход свежего греющего пара составляет 2–3 т/ч и оборотной воды — 75–120 м3/ч.

При работе по варианту, показанному на рисунках 2–3, количество растворов, поступающих на выпаривание, варьируется от 20 до 40 м3/ч. Поэтому даже при использовании многокорпусных выпарных установок расход свежего греющего пара составляет 6–9 т/ч и оборотной воды 220–300 м3/ч.

Для снижения вышеуказанных затрат были разработаны комплексные технологические схемы очистки, в которые составной частью входит узел предварительного концентрирования методом обратного осмоса.

Один из вариантов технологии очистки с использованием обратно-осмотической установки представлен на рисунке 4.

Очистные сооружения включают:

  • стадию умягчения исходных сточных вод и отделения солей жёсткости;
  • стадию доочистки осветлённого раствора и предварительного концентрирования умягченных стоков на обратно-осмотической установке (ООУ);
  • стадию переработки концентрированных растворов «на кристалл».

Такие схемы были разработаны для переработки сточных вод на Белорусском металлургическом заводе, для ОАО «Северсталь» (очистка стоков с выпуска №3 в реку Кошта), для переработки стоков после химводоподготовки на Костромской ГРЭС.

Хотелось бы отметить, что данный вариант бессточной технологии очистки позволяет снизить потребление свежего греющего пара и оборотной воды в 3–4 раза. Потребление реагентов также сравнительно невелико. Но с точки зрения организации процесса очистки требование к соблюдению всех параметров процесса гораздо выше, чем в ранее рассмотренных технологиях. И это, в первую очередь, касается стадии предподготовки умягчённой воды и последующего концентрирования на ООУ. Наличие даже малых количеств органики, взвеси, окислителей приводит к значительному ухудшению эксплуатационных характеристик мембран и к необходимости более частой их замены. Кроме того, в отличие от выпарной техники, мембраны ООУ очень чувствительны к изменению состава примесей в исходных стоках.

Пренебрежение этими требованиями может привести к резкому уменьшению пропускной способности данного технологического передела и, соответственно, всех очистных сооружений.

Кроме этого, эффективность работы ООУ зависит от солесодержания поступающих на неё стоков. По мнению специалистов, наиболее оптимальный диапазон концентраций для работы ООУ составляет 1–25 г/л.

При концентрации солей в стоках более 25 г/л энергозатраты, а также стоимость мембран значительно возрастают, а очистка на ООУ растворов, содержащих более 80 г/л примесей, возможно только с использованием специальных дорогостоящих «морских» мембран.

Поэтому решение, какой из вариантов технологии очистки сточных вод, обеспечивающих замкнутый водооборот, использовать, принимается совместно разработчиком и заказчиком с учётом конкретных особенностей сточных вод и их солесодержания, требований к качеству очистки, наличия и стоимости энергоносителей, требуемой площади под размещение и т.д.

Отдельно хотелось бы отметить технические решения в плане создания технологий и оборудования для регенерации отработанных технологических растворов с получением продуктов, пригодных для повторного использования. Это, в частности, установки для переработки сбросных растворов, образующихся в производстве циркония и гафния на площадке ГНПП «Цирконий» (г. Днепродзержинск, Украина). Аппаратурно-технологическая схема установки представлена на рисунке 5.

Она включает двухкорпусную прямоточную выпарную установку, оснащенную выпарными аппаратами с принудительной циркуляцией. В данных аппаратах осуществляется концентрирование исходного азотнокислого раствора и отгонка паров азотной кислоты, которые направляются в ректификационную колонну. В ней осуществляется укрепление кислоты до 56–57%.

Конечными продуктами переработки являются слабоконцетрированный раствор HNO3 (конденсат вторичного пара после 1 корпуса и очищенный конденсат после ректификационной колонны), концентрированная азотная кислота, концентрированный раствор. Все продукты переработки возвращаются в производство. Это позволяет говорить о реализации практически бессточной технологии переработки сбросных растворов.

Данная установка была пущена в 2010 г. и в настоящее время находится в постоянной промышленной эксплуатации.
Аналогичного типа установки были разработаны и для переработки растворов, содержащих значительное количество аммиака. Следует отметить, что на производстве образуется достаточно большое количество сточных вод, содержащих соединения аммиака, а очистка их от данных соединений представляет достаточно серьезную задачу. Как показали ранее проведенные исследования на стендовых установках, выделить аммиак можно только выпариванием.

При этом очень большое значение на полноту извлечения аммиака из раствора оказывают водородный показатель, температура и кратность упаривания поступающих на очистку сточных вод. Спроектированные в ЗАО НПП «Машпром» установки позволяют решить поставленную задачу. Конечными продуктами очистки на данных установках являются 20 % раствор аммиачной воды, обессоленная вода и осадок солей с влажностью 15 %.

В заключение хотелось бы отметить, что, как показывает практика эксплуатации очистных сооружений, залогом их успешной работы являются:

  • надёжность применяемого оборудования;
  • простота в эксплуатации;
  • возможность очистки сточных вод различного химического состава.

Все эти требования целиком применимы к оборудованию, разрабатываемому ЗАО НПП «Машпром». Наши специалисты обладают огромным опытом и высокой квалификацией под проектирование самых сложных установок для переработки промышленных сточных вод.

Мы готовы помочь спроектировать систему переработки промышленных сточных вод с замкнутым водооборотом для Вашего предприятия.

Скачать опросный лист на разработку выпарных установок. Заполненный опросный лист отправляйте через форму обратной связи, добавив вложением (кнопка «прикрепить файл»).

Вернуться к списку публикаций