СТАНЦИЯ ВОДОПОДГОТОВКИ ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОГО ВОДОПОТРЕБЛЕНИЯ
WATER TREATMENT STATION FOR DIFFERENTIAL WATER CONSUMPTION

Изобретение относится к области водоснабжения населенных пунктов, расположенных в приморских районах с дефицитом пресной воды, и может быть применено для снабжения населенных пунктов чистой пресной водой посредством комплексного опреснения морской соленой воды, а также для локального водоснабжения городов, поселков, сельских хозяйств, предприятий и производственных объектов.
На данный момент широко известны различные технологические схемы водоснабжения населенных пунктов, включающие различные способы водоподготовки.
Известна система водоснабжения населенного пункта (Патент РФ №2132910, МПК Е03В 1/02, опубл. 10.07.1999 г.), содержащая насосную станцию второго подъема, водоводы, водопроводную сеть и напорно-регулирующую емкость, при этом она дополнительно содержит повысительный, сетевой и промывной насосы, сатуратор, напорный флотатор, озонатор, хлоратор, эжекторы, датчики давления, запорные клапаны с электромагнитными приводами и датчики положения запорных клапанов с электромагнитными приводами, обратный клапан, вентиль и блок управления, связанный с датчиками и запорными клапанами. Задачей изобретения является повышение качества питьевой воды и экономичности при ее обработке. К недостаткам данной системы водоснабжения можно отнести то, что она может являться только дополнением к уже существующей системе водоснабжения, где загрязненная в результате транзита по трубопроводам вода, доводится до уровня питьевой и снова возвращается в водопроводную сеть, снижая вероятность вторичного загрязнения.
Известен атомно-энергетический комплекс (Патент РФ №2504417, МПК B01D 5/00, Е03В 3/28, опубл. 20.01.2014 г. Бюл. №2), предназначенный преимущественно для получения пресной воды путем конденсации водяных паров из атмосферного воздуха, включающий средство для забора воздуха, компрессор, соединенный с теплообменным устройством для охлаждения сжатого воздуха, турбодетандер, средства для транспортировки воды и воздуха с арматурой, отличающийся тем, что он снабжен ядерной энергетической установкой, средство для забора воздуха выполнено в виде башни высотой не менее 200 м с окнами воздухозабора, размещенными по высоте башни, при этом теплообменное устройство для охлаждения сжатого воздуха является конденсатором, который связан с каплеуловителем, причем оба они установлены с возможностью сброса конденсата в бассейн первичного конденсата, а турбодетандер соединен с водяной камерой, снабженной оросителем, связанной с бассейном вторичного конденсата и теплообменником оборотной воды, который соединен с ядерной энергетической установкой.
Недостатками данного комплекса являются относительно крупные габаритные размеры сооружения, в частности железобетонного корпуса башни воздухозабора высотой 200 м и диаметром 100 м, большая площадь занимаемая сооружениями, высокие капитальные и материальные затраты на возведение воздухозаборной башни.
Известно устройство для водоснабжения города (Патент РФ №138192, МПК Е03В 1/02, опубл. 10.03.2014 г. Бюл. 7). Оно содержит системы водоснабжения населенного пункта, подводы природного газа с его последующим сжиганием и охлаждением образованных газов в централизованных тепловых пунктах и конденсацией образовавшихся паров воды перед разводящими линиями водопроводной сети с пропусканием сконденсированной воды через системы и фильтры очистки, а также оно снабжено солнечными батареями, подключенными к системам централизованных тепловых пунктов для конденсации паров воды.
Недостатком данного устройства для водоснабжения города является относительно невысокая производительность по воде, получаемой в результате сжигания горючего газа, с последующим охлаждением образованных газов и конденсацией образовавшихся паров воды перед разводящими линиями водопроводной сети, а также относительно высокие капитальные и материальные затраты на создание сооружений и оборудования, и подключение солнечных батарей.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является универсальная модульная станция водоподготовки для дифференцированного водопотребления (Патент РФ №130307, МПК C02F 1/00, опубл. 20.07.2013 г. Бюл. 20), выбранная в качестве прототипа и состоящая из системы подачи воды, выполненной в виде трубопроводов, насоса, электродвигателя, накопительного бака, системы управления расходом и давлением воды, узла коагуляции, осадочного фильтра, устройства для дезинфекции, анализатора содержания примесей в исходной и очищенной воде, отличающаяся тем, что в линию водоподготовки встроены частотные регуляторы поддержания давления в водопроводной сети, универсальный фильтр со встроенным внутри его фидером, узел регенерации универсального фильтра, и для дифференцированного водопотребления в зависимости от требуемого качества воды дополнительно на трубопроводе подачи воды потребителю установлены краны: кран подачи исходной воды; кран осветленной воды; кран воды осветленной и очищенной; кран питьевой воды осветленной, очищенной и обеззараженной; кран воды для технологических целей; кран питьевой воды минерализованной, при этом для получения воды для технологических целей дополнительно в линию водоподготовки после устройства для дезинфекции встроен фильтр с мембраной обратного осмоса, для получения питьевой воды минерализованной встроен фильтр с мембраной обратного осмоса с минерализатором и затем лампы УФ - обеззараживания воды, и расположена станция в компактном модульном мобильном контейнере.
Недостатком данной станции водоподготовки является то, что она рассчитана на получение сравнительно небольших объемов воды и может быть использована только в системах индивидуального и коллективного централизованного водоснабжения производственных зданий малой мощности, например, жилых домов, коттеджей, дачных участков, поселков и иных населенных пунктов с дифференцированным водопотреблением очищенной воды в зависимости от требуемого качества. К другим недостаткам данной станции относится отсутствие в схеме стадии опреснения, что ограничивает забор исходной воды до относительно пресных источников (скважин, колодцев, заболоченных рек, озер), что исключает ее использование в приморских районах с дефицитом пресной воды. К недостаткам данной станции относится также отсутствие блока обработки осадков, которые сливаются в дренажную трубу и сбрасываются в окружающую среду.
Опреснение морской воды для получения пресной воды в промышленных масштабах является актуальной задачей и одной из наиболее динамично развивающихся отраслей мировой экономики. В настоящее время наибольшее распространение получили дистилляционная и мембранная опреснительные технологии [Bin Amer А.О. Development and optimization of ME-TVC desalination system. Desalination. 2009, vol. 249, №3, pp.1315-1331., Ергожин E.E., и др. Очистка промышленных сточных и опреснение минерализованных вод методом электродиализа. Вода: химия и экология. 2015, №2, с. 59-64].
Мембранная технология включает процессы электродиализа и обратного осмоса. Опреснительным установкам на основе мембранной технологии необходима только электроэнергия, вырабатываемая внешним источником энергии. В основу дистилляционной технологии входят многоступенчатые процессы дистилляции и мгновенного вскипания. Опреснительные установки на основе дистилляционной технологии используют электрическую энергию и теплоту, вырабатываемую внешними источниками. Представленные методы опреснения имеют свои преимущества и недостатки. Например, при опреснении воды с использованием мембранных технологий можно получать питьевую воду с большим содержанием солей, чем при опреснении с использованием дистилляционной технологии, расходуя на это меньшее количество энергии. Дистилляционная технология используется преимущественно для получения технической воды. К основным преимуществам метода дистилляции относятся: надежность технологии, отсутствие необходимости в предварительной обработке, перспективность для промышленного применения, идеальность в сочетании с электростанциями.
Опреснение является энергоемким процессом, поэтому выбор эффективного энергоисточника является одним из наиболее важных вопросов экономики опреснения. Как показывают исследования, использование ядерных реакторов в качестве энергоисточников в составе опреснительных систем может оказаться перспективным [Костин В.И., Панов Ю.К., Полуничев В.И., Шаманин И.Е. Плавучий энергоблок с реакторной установкой КЛТ-40С для опреснения морской воды.- Атомная энергия, Т. 102, вып. 1, январь 2007].
Учитывая высокую стоимость технологии опреснения, существенным преимуществом будет обладать технологическая схема, обеспечивающая максимальное извлечение загрязнений до стадии опреснения более дешевыми методами очистки, что снизит нагрузку на ступень опреснения и сделает ее более эффективной. С учетом различных групп потребителей опресненной воды (население, промышленность, сельское хозяйство), потребляющих воду различного качества, целесообразно использовать комбинированные схемы опреснения, использующие технологии дистилляции, электродиализа и обратного осмоса. С учетом различной удельной стоимости удаления различных групп загрязнений, самой дорогой из которых являются соли - целесообразно использовать методы рециклинга - повторного использования очищенных опресненных вод, образующихся в результате деятельности водопользователей, отличающихся пониженным солесодержанием.
В настоящее время актуальной проблемой является получение легкой воды, обедненной тяжелым изотопом водорода - дейтерием. Как известно, содержание дейтерия в морской воде составляет около 155 ppm. Существуют различные рекомендации на допустимое содержание дейтерия в воде, используемой в различных сферах деятельности. Так, например, для бытовых нужд и питья достаточным является снижение содержания дейтерия до уровня 120 ppm, что несколько ниже, чем соответствующий уровень для пресных водоемов (оз. Байкал - 135 ppm). Однако для лечебных и медицинских приложений целесообразно снижение содержания дейтерия до уровня 60 и 20 ppm соответственно. Употребление воды с пониженным содержанием дейтерия стимулирует жизненные процессы в организме, улучшает физическую активность, работоспособность, способствует эффективному выводу токсинов и продуктов метаболизма из организма. При использовании легкой воды для полива сельскохозяйственных культур повышается всхожесть и урожайность растений [Барышев М.Г., Болотин С.Н., Васильев Н.С. и др. Электрохимический способ получения и биологические свойства воды с пониженным содержанием дейтерия. Наука Кубани. 2010, №3, с. 18-20.].
Работа станции водоподготовки для дифференцированного водопотребления должна предполагать рациональное распределение потоков полученной опресненной воды. Так, питьевая вода и вода для нужд сельского хозяйства должна иметь сбалансированный минеральный состав и пониженное содержание дейтерия, а вода, используемая для технических целей в промышленности и городском хозяйстве (охлаждение оборудования, поливка территории), может иметь более высокое содержание дейтерия и другой минеральный состав, в зависимости от требований и назначения.
Задачей предложенного технического решения является создание высокопроизводительной энергоэффективной системы водоподготовки на основе комплексного опреснения морской воды с получением питьевой воды, а также разных видов вод, требуемого качества, для сельских хозяйств и промышленных предприятий населенных пунктов, расположенных в прибрежных регионах с дефицитом пресной воды, с повышением эффективности и экологичности процессов опреснения за счет создания схемы с более рациональным распределением потоков опресненной воды и вод с различным солесодержанием и получением легкой воды, а также за счет утилизации полученных осадков.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет реализации станции водоподготовки для дифференцированного водопотребления, относящейся к комплексам и состоящей из элементов предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций, предполагающей использование систем водоснабжения населенного пункта и содержащей магистраль, содержащую фильтр предварительной механической очистки и насос подачи морской воды в блок предподготовки, состоящий из модуля реагентной обработки с системой флотаторов, при этом блок предподготовки имеет три выхода один из которых соединен с блоком обработки осадка, а два других соединены с магистралями, снабженными насосами и тангенциальными фильтрами тонкой очистки, при этом каждый из тангенциальных фильтров имеет по два выхода, один из которых соединен трубопроводом с блоком обработки осадка, при этом другой выход одного из тангенциальных фильтров соединен с блоком дистилляции, а выход второго - с блоком нанофильтрации, который посредством трубопровода, снабженного модулем ультрафиолетовой обработки, соединен с накопителем чистой питьевой воды; при этом блок дистилляции имеет три выхода, один из которых соединен с блоком получения легкой воды, подключенным к системе сельскохозяйственного водоснабжения населенного пункта и соединенным трубопроводом, снабженным модулем ультрафиолетовой обработки, с накопителем чистой питьевой воды, второй подключен к системе хозяйственно-бытового и промышленного водоснабжения населенного пункта, а третий соединен с блоком электродиализа, причем блок электродиализа имеет два выхода, один из которых, предназначенный для вывода воды, подключен к системе сельскохозяйственного водоснабжения, а второй, предназначенный для вывода концентрированных рассолов, соединен с испарителем для получения твердой морской соли. В качестве вспомогательного оборудования установка содержит трубопроводы, вентили, манометры, расходомеры и другие контрольно-измерительные приборы.
В частных случаях исполнения, станция водоподготовки между блоком нанофильтрации и тангенциальным фильтром может содержать модуль очистки от токсичных примесей, содержащихся в морской воде, таких как бор и бром.
В одном из частных исполнений выход блока нанофильтрации, предназначенный для вывода концентрата рассола, может быть соединен с системой сельскохозяйственного водоснабжения для минерализации вод, используемых в сельском хозяйстве для полива.
В качестве источника энергии для станции водоподготовки может использоваться ядерная реакторная установка малой мощности.
Техническим результатом изобретения, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является станция водоподготовки для дифференцированного водопотребления населенного пункта, находящегося в прибрежном районе с дефицитом пресной воды, основанная на опреснении морской воды с повышением эффективности процессов опреснения за счет рационального распределения и повторного использования потоков опресненной воды и использовании побочных потоков вод с различным солесодержанием, с предотвращением засорения мембран и уменьшением образования накипи за счет выведения загрязнителей и части солей из исходной воды реагентным методом на стадии предподготовки, а также со снижением экологической нагрузки на окружающую среду за счет сбора и обработки осадка загрязнителей и рапы, полученных в результате обработки воды, исключающее их повторное попадание в водную среду.
Ниже на фиг. 1 показана схема устройства станции водоподготовки для дифференцированного водопотребления с использованием комплексного опреснения морской воды и рациональным распределением потоков вод.
Станция водоподготовки для водоснабжения населенного пункта по предлагаемому изобретению содержит фильтр предварительной механической очистки 1, насос подачи морской воды 2, блок предподготовки 3, включающий модуль реагентной обработки и систему флотаторов (на чертеже не показаны), блок обработки осадка 4, два центробежных насоса 5 и 10, два тангенциальных фильтра тонкой очистки 6 и 11, блок нанофильтрации 7, модуль ультрафиолетовой обработки 8, накопитель чистой питьевой воды 9, блок дистилляции 12, блок получения легкой воды 13, блок электродиализа 14, испаритель рапы 15, систему сельскохозяйственного водоснабжения населенного пункта 16, систему хозяйственно-бытового и промышленного водоснабжения населенного пункта 17, систему канализации населенного пункта 18, блок предочистки сточных вод 19.
Станция водоподготовки реализована в соответствии с принципиальной схемой, представленной на фиг.1. Станция водоподготовки населенного пункта работает следующим образом: исходная вода, проходя через входной фильтр 1 при помощи насоса 2, поступает в блок предподготовки 3, где она подвергается реагентной обработке с флотационным отделением загрязнений и части солей. Осадок загрязнителей поступает в блок обработки осадка 4 для дальнейшего обезвоживания, а осветленная вода из блока предподготовки 3 по двум параллельным магистралям при помощи насосов 5 и 10 направляется на тангенциальные фильтры 6 и 11 тонкой очистки соответственно. Поток воды, не прошедшей через фильтрующие элементы тангенциальных фильтров 6 и 11, поступает в блок обработки осадка 4. В блоке обработки осадка 4 осадок, при необходимости, для лучшей влагоотдачи обрабатывается реагентом, обезвоживается и уплотняется, а освобожденная вода по отводящему трубопроводу направляется в головную часть установки в магистраль подачи исходной морской воды. Полученный в блоке обработки осадка 4 сухой осадок в зависимости от свойств, содержания химических элементов и других характеристик, может использоваться в строительстве в качестве добавок в бетон, асфальт и строительные смеси.
Вода, прошедшая через тангенциальный фильтр 6 поступает в блок нанофильтрации 7, где посредством мембраны она разделяется на очищенную от большей части солей воду и концентрированный высокоминерализованный поток воды не прошедший через мембрану, который по трубопроводу поступает на сооружения системы сельскохозяйственного водоснабжения 16, где может быть использован для минерализации вод, используемых в сельском хозяйстве для полива или удобрения почв, а чистая вода, проходя через модуль ультрафиолетовой обработки воды 8 для устранения возможных болезнетворных микроорганизмов, поступает в накопитель чистой питьевой воды 9.
Вода, прошедшая через тангенциальный фильтр 11, направляется в блок дистилляции мультиэффектного действия 12, принцип работы которого основан на испарении и конденсации паров воды. Часть опресненной в блоке дистилляции 12 воды, поступает в блок получения легкой воды 13, из которого легкая вода по трубопроводу, снабженному модулем ультрафиолетовой обработки воды 8, поступает в накопитель питьевой воды 9 для снижения общего содержания дейтерия в питьевой воде, а также в систему сельскохозяйственного водоснабжения 16. Другая часть опресненной воды поступает в систему хозяйственно-бытового и промышленного водоснабжения населенного пункта 17, а рассол направляется в блок электродиализа 14 для дальнейшего концентрирования. В блоке электродиализа 14 происходит разделение рассола на опресненную воду, которая направляется в систему сельскохозяйственного водоснабжения 16, и высококонцентрированный раствор солей (рапа), который поступает в испаритель 15, где из него удаляется оставшаяся влага и в качестве побочного продукта получается твердая морская соль.
После использования воды потребителями, воды из системы хозяйственно-бытового и промышленного водоснабжения населенного пункта попадают в систему канализации, из которой сточные воды по трубопроводам попадают в блок предочистки сточных вод 19. В блоке предочистки 19 сточные воды проходят очистку, в том числе и биологическую, с доведением качества очищенной воды до нормативных показателей и требований, после чего подаются в систему сельскохозяйственного водоснабжения 16 населенного пункта и могут использоваться для полива растений и орошения земель.
В качестве примера, в таблице 1 приведено необходимое количество вод, используемых в различных сферах деятельности населенного пункта с населением 100 тысяч человек, а также требования, предъявляемые к качеству вод и процент рециклинга, который позволяет снизить требуемую производительность установки.
Расход энергии на получение опресненной воды складывается из тепловой энергии, расходуемой на дистилляцию, электрической энергии, требуемой для осуществления процесса обратного осмоса и электродиализа, а также работы систем очистки и переработки отходов. В таблице 2 представлены данные по оценке удельного энергопотребления используемых методов опреснения и получения легкой воды, а также рассчитаны общие энергозатраты на производство требуемого количества воды, используемой для деятельности населенного пункта с населением 100 тысяч человек из таблицы 1 [Ядерное опреснение: не пресный план Росатома (Электронный ресурс) Атомный эксперт. М., 2012-2015. URL: http://atomicexpert-old.com/content/yadernoe-opresnenie-ne-presnyy-plan-rosatoma]. В таблице использованы следующие обозначения: MED-TVC - Multi Effect Distillation with Thermal Vapour Compression; RO - Reverse osmosis; ED - Electrodialysis.
Общая тепловая и электрическая мощность на получение требуемого количества воды для города с населением 100 тыс.человек составляет 458 и 8,0 МВт соответственно. С учетом рециклинга при использовании данного изобретения эта цифра уменьшается в полтора раза и составляет 294 МВт тепловой энергии и 3,5 МВт электрической.
Таким образом, использование станции водоподготовки для дифференцированного водопотребления по предложенному изобретению позволяет обеспечить потребителей чистой питьевой водой, а также водой требуемого качества для нужд сельских хозяйств и промышленных предприятий населенных пунктов, расположенных в прибрежных регионах с дефицитом пресной воды, при одновременном сокращении энергопотребления за счет рециклинга и снижении нагрузки на окружающую среду за счет сбора и обработки осадка и рассолов с получением твердых продуктов, исключая, тем самым, вторичное попадание концентрированных рассолов в водную среду.