15 мая 2014

Станции «Водопад» — гарантированная очистка «трудной» воды

Ученые утверждают, что 70–80 % болезней связаны с употреблением некачественной питьевой воды. При этом традиционные технологии зачастую не в силах очистить «трудную» сибирскую воду.

Решение этой проблемы стало возможным благодаря инновационным разработкам ООО «ТюменНИИгипрогаз». Им удалось разработать эффективную технологию водоочистки и на ее основе запустить в производство станции «Водопад», которые серийно изготавливаются Экспериментальным заводом Общества.

Заместитель заведующего отделом комплексных технологий водоподготовки ООО «ТюменНИИгипрогаз» Владимир Владимирович Макаров поясняет, в чем заключается уникальность этой технологии и за что ее так любят газовики и нефтяники.

Марина Пашина, специально для журнала «Оборудование Разработки Технологии» (Новосибирск).


Наша вода — наше здоровье

— В каких регионах России проблема некачественной питьевой воды стоит наиболее остро?

— Особенно актуально это для Сибири и Дальнего Востока, где качество водоисточников оставляет желать лучшего. В подземных водах Западной Сибири присутствует повышенное содержание соединений кремния в виде растворимых кремниевых кислот. Поверхностные же воды (реки, озера и т.п.) отличаются высокой цветностью, которую дают гуминовые и фульвокислоты, поступающие в воду при болотном гниении растений. Кроме того, многие водоёмы расположены вблизи промышленных производств и испытывают на себе последствия антропогенного воздействия.

В результате в Тюменской области, к примеру, на 90 % водоочистных сооружений качество подготовленной воды не соответствует санитарным нормам. Наши исследования показали: главная причина плохого качества питьевой воды в Сибири заключается в том, что применяемые технологии водоподготовки не соответствуют составу и уровню загрязняющих веществ в водоисточниках.

Станция "Водопад" готова к отправке

Станция «Водопад» готова к отправке

Увеличенная фотография (JPG, 101 КБ)

— В чем заключается это несоответствие?

— Обследование более 50 станций обезжелезивания в Западной Сибири показало, что на большинстве из них даже двух-, трехступенчатое фильтрование через зернистые загрузки не обеспечивает достижения нормативных показателей качества питьевой воды по содержанию соединений железа, марганца, кремния, аммония и др.

Дело в том, что в подземных водах нашего региона содержится большое количество растворимых кремниевых кислот. В результате взаимодействия с окисленным железом образуются устойчивые железосиликатные комплексы, гидратные оболочки которых надежно окружают коллоидные частицы. Поскольку эти оболочки препятствуют прямому контакту частиц с поверхностью зерен фильтрующей загрузки, то железосиликатные комплексы легко проходят через фильтры.

При этом содержание соединений кремния в очищенной воде уменьшается не более чем на 6–7 %, как правило, превышая предельно допустимую концентрацию в полтора-два раза. Именно поэтому столь неэффективны попытки интенсифицировать процесс очистки воды путем окисления железа и марганца с помощью химических окислителей (перманганата калия, гипохлорита натрия, озона) или использования различных модифицированных фильтрующих загрузок.

— В таком случае, может, лучше брать воду из поверхностных источников?

— Гуминовые и фульвокислоты в речной и озерной воде также плохо удаляются при химреагентной очистке и, подобно кремниевым кислотам, не удерживаются фильтровыми загрузками. Высокая растворимость этих соединений обусловлена наличием устойчивых гидратных оболочек, образующихся вокруг их молекул. Поскольку в процессе химреагентной очистки используются растворы коагулянтов или окислителей, которые тоже находятся в воде виде ассоциатов молекул, окруженных гидратными оболочками, то взаимодействие между комплексами загрязняющих веществ и комплексами химреагентов происходит только с участием сравнительно слабых межмолекулярных сил Ван-дер-Ваальса. В результате приходится применять предельно высокие концентрации химреагентов, что в конечном итоге может вызвать дополнительное загрязнение воды остаточным алюминием, марганцем или хлорорганическими соединениями.

Станция "Водопад" во время монтажа

Станция «Водопад» во время монтажа

Увеличенная фотография (JPG, 174 КБ)

— Но стоит ли уделять этому вопросу такое внимание? Плохо очищенная вода действительно настолько опасна?

— Всемирные исследования показывают, что до 70–80 % заболеваний связаны с употреблением некачественной питьевой воды. Так, избыток железа вызывает болезни крови, печени, кожи, подкожной клетчатки. Повышенное содержание марганца ведет к нарушениям нервной системы, болезням щитовидной железы, кариесу, холециститу, появлению камней в почках, остеоартрозу. Избыток соединений кремния приводит к нарушению обмена веществ в организме на клеточном уровне.

Обнаружена прямая связь между количеством больных мочекаменной болезнью и повышенным содержанием кремния в питьевой воде. Систематическое употребление такой воды вызывает хроническое заболевание почек — эндемическую нефропатию, за которой часто следует заболевание раком мочевой системы. Широко известно канцерогенное воздействие на организм человека асбестового волокна, которое состоит из солей кремниевой кислоты. Медицинскими исследованиями еще в середине ХХ века установлено, что наибольшая концентрация кремния в организме локализуется вокруг злокачественных опухолей.

В районах, где в природной воде содержится много кремния, ишемическая болезнью сердца встречается в два раза чаще. При этом на 25 % выше заболеваемость артериальной гипертонией, в пять раз больше случаев инсульта мозга и в два раза — сахарного диабета. По заключению ряда специалистов официально допустимый уровень поступления кремния в организм (менее 5 миллиграммов в сутки) завышен в несколько раз.


Электрокоагуляция — ключ к эффективности

— Почему вы решили использовать для очистки воды электрокоагуляцию? Эта технология уже применялась ранее?

— Сам метод электрохимического растворения металлов под воздействием постоянного или переменного тока известен с начала ХХ века и в 1920-е годы были попытки применить его для очистки речной воды на одной из первых советских гидроэлектростанций. В 1970-е гг. этот способ очистки воды исследовался ленинградскими, украинскими и даже японскими учеными, но до практического применения не дошло из за нестабильности протекания приэлектродных процессов при электрохимическом растворении металла. Все исследования, в лучшем случае, заканчивались созданием простейших опытно-экспериментальных установок малой мощности. Тем не менее научная база в те времена была заложена очень хорошая.

Станция "Водопад" внутри

Станция «Водопад» внутри

Увеличенная фотография (JPG, 134 КБ)

В 1995 году в ООО «ТюменНИИгипрогаз» был создан отдел комплексных технологий водоподготовки, специалисты которого, под руководством нашего бессменного заведующего Валентина Николаевича Демидовича, провели комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, и в результате решили проблему обеспечения стабильности электрокоагуляционного процесса и эффективного удаления коагулированных загрязняющих веществ из очищаемой воды. Этому предшествовали десятки командировок с масштабно-моделирующими лабораторными установками в северные регионы Западной Сибири, в том числе на Ямал, сотни экспериментов, совершенствование внутреннего оборудования технологических блоков, разработка специальных источников питания и щитов АСУ. В 2000 году первая серийная высокоавтоматизированная станция электрокоагуляционной подготовки питьевой воды «Водопад-50» была изготовлена и введена в эксплуатацию на Когалымском нефтяном месторождении, где успешно работает до настоящего времени.

За прошедшие годы нами разработано и запущено в производство уже пять поколений станций «Водопад». Сегодня эти станции в блочном исполнении полной заводской готовности производительностью от пяти до 800 кубометров в сутки серийно выпускаются Экспериментальным заводом ООО «ТюменНИИгипрогаз».

— Что входит в состав станций «Водопад»?

— Если коротко, то это система кондиционирования воды, блоки электрокоагуляционной обработки воды, блоки осветления, осветлительные фильтры собственной конструкции с системой промывки, баки чистой воды и установки ультрафиолетовой дезинфекции воды, автоматизированная система управления технологическими процессами, а также система водяного или электрического отопления.

Станция "Водопад" в блочно-модульном исполнении может доставляться грузовым автомобилем

Станция «Водопад» в блочно-модульном исполнении может доставляться грузовым автомобилем

Увеличенная фотография (JPG, 729 КБ)

— Почему электрокоагуляционная технология удаляет загрязнения, с которыми не справляются химические реагенты?

— Секрет кроется в химических процессах, происходящих на молекулярном уровне. Дело в том, что в процессе электрокоагуляции разрушаются гидратные оболочки, окружающие молекулы загрязняющих веществ. Это интенсифицирует электрохимический процесс взаимодействия атомов алюминия на поверхности алюминиевых электродов с молекулами воды, а также с молекулами кремниевой и гуминовых кислот. В зоне наномолекулярного взаимодействия на поверхности алюминиевого анода образуются высокоактивная мономолекулярная форма коагулянта — гидроокиси алюминия и комплексные соединения алюминия с минеральными и органическими кислотами, фосфорсодержащими соединениями, поверхностно-активными веществами, фенолами и нефтепродуктами.

В результате электрохимического взаимодействия атомов алюминия с загрязняющими веществами электрокоагуляционная технология обеспечивает высокое качество очистки воды как от минеральных, так и от органических загрязняющих веществ в широком диапазоне исходных концентраций независимо от их сезонных колебаний. В результате скорость коагуляции и хлопьеобразования в 5–7 раз выше, чем у химреагентных технологий. При этом высокое качество подготовки воды не зависит от изначального уровня загрязненности водоисточников. Потери исходной воды минимальны (2,5–3 %), а конечная вода обладает нулевым индексом токсичности.

— Помимо электрокоагуляции имеются ли у станций «Водопад» технологические особенности?

— Мы разработали целый ряд технических решений, многие из которых защищены патентами. Так, технологическим оборудованием станций обеспечиваются высокоэффективная окислительная аэрация и «отдувка» из очищаемой воды растворенных газов: сероводорода, свободной углекислоты, а также азотсодержащих газов, обусловливающих нестабильность и повышенную коррозионную активность воды. Эффективность конструктивных решений оценивается с использованием графических объемных моделей оборудования и специальных компьютерных программ.,

Для станций большой производительности разработаны и поставляются отдельные технологические модули, позволяющие ступенчато наращивать производительность от 1000 до 20000 м3 сутки. Для модулей резервуаров-осветлителей разработано внутреннее технологическое оборудование, обеспечивающее одинаковую скорость движения воды по всему сечению резервуара, осветление воды в объемном слое взвешенного осадка и осаждение 90–95 % загрязняющих веществ.

Станция "Водопад" во время монтажа

Станция «Водопад» во время монтажа

— Как работают упомянутые вами модули?

— Автоматизированные модули электрокоагуляционной обработки воды имеют производительность 500, 800, 1200 и 1500 кубометров в сутки. У автоматизированных модулей фильтрования воды производительность составляет от 500 до 1200 кубометров в сутки. В процессе фильтрования обеспечивается тонкая очистка. Остаточная концентрация алюминия в очищенной воде не превышает 0,08–0,1 миллиграмма на литр, что в пять раз ниже предельно допустимой концентрации. Продолжительность фильтроцикла составляет два-четыре дня. Насосные группы станций «Водопад» оснащены частотным управлением.

— Ваши основные потребители — это газовики и нефтяники, закупающие станции «Водопад» для вахтовых и рабочих поселков, где зачастую нет системы водоснабжения. Вы можете комплексно решить эту проблему?

— В состав блочных станций «Водопад» входит водонапорная подстанция, состоящая из бака-гидроаккумулятора, резервуара-накопителя чистой воды, сетевых насосов и системы разбора питьевой воды в переносную тару или в автоцистерны. Подстанция обеспечивает поддержание заданного давления в водопроводной сети и позволяет нормально эксплуатировать станцию в непрерывном режиме.

— Эти подстанции адаптированы для эксплуатации с «Водопадом»?

— Все верно, водонапорные подстанции серии «ПВ» разрабатывались для совместной работы со станциями подготовки питьевой воды «Водопад». Сегодня нашим заводом серийно выпускаются подстанции «ПВ-20», «ПВ-40», «ПВ-60», «ПВ-100». Цифры в наименовании означают суммарную емкость двух резервуаров накопителей питьевой воды. Резервуары и трубопроводы изготовлены из коррозионностойкой нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Насосная группа сетевых насосов (II подъема) с частотным управлением выполнена по схеме один насос — рабочий, второй — резервный.

— Это серийный продукт или возможны модификации?

— По желанию заказчика и согласованию с разработчиком возможны изменение параметров сетевых насосов (II подъема) и схемы (например, добавление циркуляционного трубопровода), дополнительная установка УФ-бактерицидной лампы, с соответствующим изменением конструкторской документации.

Подстанция водонапорная "Водопад"

Подстанция водонапорная «Водопад»

Увеличенная фотография (JPG, 70 КБ)

— Водонапорные подстанции производят десятки предприятий. Почему же северяне предпочитают ваши разработки?

— Во-первых, как я уже говорил, они максимально адаптированы для работы со станциями водоподготовки «Водопад», более сотни которых уже работают по всей России, главным образом на Севере. Во-вторых, наши подстанции изначально разрабатывались для эксплуатации в условиях Крайнего Севера. Их применение позволяет значительно сократить капитальные затраты при строительстве водоочистных сооружений, так как на площадку приходят готовые резервуары чистой воды со станцией второго подъема в блочном исполнении. Остается лишь соединить выходы со станцией, с напорной веткой — и готово. И не надо на морозе, на ледяном ветру разворачивать и варить корпус резервуара, зачищать швы, выполнять антикоррозионную обработку, красить, утеплять, обшивать. Все это значительно экономит время и деньги.

Экологичность и экономическая эффективность

— Можно ли назвать станции «Водопад» энергосберегающими?

— Безусловно, и это объясняется особенностями самой технологии.

Во-первых, «Водопада» обеспечивает эффективную очистку даже при температуре исходной воды 0,5–1 0С, в то время как химреагентная технология требует предварительного подогрева поступающей на очистку воды.

Во-вторых, в процессе электрокоагуляционной очистки происходит мощная электромагнитная обработка воды. Она обеспечивает на молекулярном уровне фазовый переход солей жесткости из растворенного состояния в мелкокристаллическую форму. В результате при использовании очищенной воды для нагрева в водогрейных котлах и для питания паровых котлов высокого давления на внутренней поверхности теплоэнергетического оборудования не происходит образования монолитной накипи. При нагреве воды образуется порошкообразный шлам, который легко удаляется из системы тепловодоснабжения. Это позволяет увеличить срок службы водогрейных котлов в 3–5 раз и уменьшить расход топлива до 30 %.

В-третьих, частотное управление насосами на станциях «Водопад» позволяет уменьшить расход электроэнергии на перекачку воды до 20 %. Стоит отметить, что применение оборотной системы утилизации промывной воды на станциях «Водопад» большой производительности позволяет сэкономить до 25 % чистой питьевой воды.

Станция "Водопад" готова к отправке

Станция «Водопад» готова к отправке

Увеличенная фотография (JPG, 130 КБ)

— Можно ли назвать станции «Водопад» экономически эффективными?

— Экономическая эффективность «Водопада» обусловлена особенностями технологии. Обеспечение взаимодействия загрязняющих веществ с алюминиевыми электродами на молекулярном уровне увеличивает эффективность использования коагулянта в три-четыре раза по сравнению с химреагентными технологиями подготовки воды. Универсальный эффект электрокоагуляционной очистки воды от минеральных и органических загрязняющих веществ позволяет уменьшить число технологических операций и количество используемого оборудования, а также сократить производственные площади в два-три раза по сравнению с традиционными химреагентными технологиями.

Полная автоматизация технологических процессов очистки воды и вспомогательных процессов очистки оборудования от накапливающихся загрязнений позволяет минимизировать штаты обслуживающего персонала и уменьшить расходы на заработную плату.

— Из чего складываются эксплуатационные расходы?

— Текущие расходы фактически состоят из двух компонентов: электроэнергия и алюминиевые электроды плюс небольшие добавки поваренной соли. Одного комплекта алюминиевых электродов при непрерывной работе хватает в среднем на два месяца. В зависимости от производительности станции, текущие затраты составляют от 12 до 18 рублей на тонну очищенной воды.

— Насколько безопасна эта технология с экологической точки зрения?

— Традиционные технологии водоподготовки в этом плане имеют два больших недостатка. На станциях обезжелезивания образуются опасные стоки, которые настолько загрязнены соединениями железа, что сброс их в обычную канализацию крайне нежелателен, поскольку это снижает эффективность биологической очистки в канализационных очистных сооружениях. На практике они, как правило, просто сливаются на рельеф или в ближайший водоем, нанося ущерб окружающей среде. Мембранная же технология отличается очень большими потерями исходной воды — до 70 % объема приходится сбрасывать, причем в виде токсичных стоков. «Водопад» успешно решает обе проблемы.

Большую роль играет уникальная система оборотной утилизации промывной воды. Вода после промывки фильтров и первый фильтрат автоматически подаются на вход в резервуары-осветлители, то есть не сливаются, а снова возвращаются в оборот. Это позволяет уменьшить объем сбрасываемых в канализацию сточных вод до 2,5–3 %.

При этом те минимальные осадки, что все же образуются в процессе очистки воды, представляют собой железоалюмосиликаты с выраженными коагуляционными свойствами и относятся к пятому классу вредности, то есть практически безвредны. Их можно использовать в качестве вторичных коагулянтов для интенсификации процесса очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод. Они не оказывают токсического воздействия на биоценоз активного ила, его ферментативную способность и биохимическое окисление загрязняющих веществ. Более того, введение вторичного коагулянта позволяет снизить до приемлемых величин содержание в очищенной воде соединений железа и фосфора.

Экологическая безопасность осадков, образуемых при электрокоагуляционной обработке подземных и промывных вод, подтверждается «Экологическим сертификатом соответствия» и «Паспортом отхода» с экспертным заключением.

Станция "Водопад" на объекте ООО "Газпром трансгаз Югорск"

Станция «Водопад» на объекте ООО «Газпром трансгаз Югорск»

Увеличенная фотография (JPG, 351 КБ)

— Почему станции «Водопад» особенно популярные среди нефтяников и газовиков?

— Все очень просто — это оборудование решает весь комплекс проблем, связанных с водоподготовкой в условиях вахтовых поселков. Их можно оперативно подсоединить к жилищному комплексу, столовой, общежитию.

Сегодня более 110 станций «Водопад» производительностью от 5 до 3500 м3/сутки эксплуатируются на объектах ОАО «Газпром» (ООО «Газпром трансгаз Югорск», ООО «Газпром добыча Уренгой», ООО «Газпром добыча Надым», ООО «Газпром переработка», ООО «Газпром добыча Ноябрьск», ООО «Газпром трансгаз Сургут») и независимых недропользователей (ОАО «Сургутнефтегаз», ОАО «Лукойл-АИК», ООО «Лукойл-Западная Сибирь», ОАО «Юрхаровнефтегаз»).

В 2008 году в г. Тарко-Сале (Тазовский район, ЯНАО) была запущена в эксплуатацию станция «Водопад-8000» производительностью 8000 метров кубических питьевой воды в сутки. В итоге этот город с населением 25 тыс. чел. полностью обеспечивается чистой водой из «Водопада».

— Приходилось слышать, что вода, прошедшая очистку на «Водопаде», по вкусу напоминает родниковую. Это образное выражение?

— Скорее научный факт. Электрокоагуляционная технология позволяет очистить воду от загрязняющих веществ без применения химреагентов и с сохранением полезной минерализации. В результате по вкусовым качествам и составу она действительно сопоставима с природной родниковой водой.

— Вы продолжаете развивать технологию «Водопад» или теперь исследования идут в принципиально ином направлении?

— Мы продолжаем совершенствовать существующую технологию, поскольку убеждены, что ее потенциал раскрыт еще далеко не полностью. Мы предполагаем, что у «Водопада» большое будущее в части очистки промышленных стоков, но исследования в этом направлении еще только начинаются. Однако главной задачей все же остается подготовка качественной питьевой воды для населения.

Качество воды в поверхностных и подземных водоисточниках неуклонно ухудшается, уровень ее загрязненности растет и традиционным технологиям все сложнее справиться с этой задачей. Для этого требуются принципиально иные научно-технические решения и я убежден, что одним из наиболее перспективных является «Водопад».

Автор: Марина Пашина

Источник: «Оборудование. Разработки. Технологии». № 4–6 (88–90). апрель-июнь 2014