Сточные воды энергетических предприятий

Энергетическая промышленность является крупнейшим потребителем воды. ТЭС мощностью 2 400 МВт только для установок обессоливания расходует около 300 т/ч воды.

При работе энергетических установок образуется большое количество сточных вод различного состава.

В энергетической промышленности выделяют следующие категории сточных и отработанных вод: «горячие» стоки — воды, полученные после охлаждения оборудования; сточные воды, содержащие повышенные концентрации неорганических солей; нефте- и маслосодержащие стоки; отработанные растворы сложного состава, содержащие неорганические и органические примеси.

Разберем более подробно методы очистки и утилизации различных категорий сточных вод.

Очистка и утилизация «горячих» стоков. Такие стоки не имеют механических или химических загрязнителей, но их температура на 8— 10 °С превышает температуру воды в природном водоеме.

Мощность крупнейших электростанций России составляет от 2 400 до 6 400 М Вт. Средний расход охлаждающей воды и количество отводимой с этой водой теплоты, приходящейся на 1 000 МВт установленной мощности, составляет для ТЭС 30 м3/ч и 4 500 ГДж/ч (для АЭС, соответственно, 50 м3/ч и 7 300 ГДж/ч).

При сбросе такого количества воды в природные водоемы температура в них повышается, что приводит к снижению концентрации растворенного кислорода. В водоемах нарушаются процессы самоочищения воды, что приводит к гибели рыбы.

Согласно нормативным документам Российской Федерации, при сбросе горячих вод в водоемы температура в них не должна повышаться более чем на 3 К по сравнению с температурой воды самого жаркого месяца года. Дополнительно установлен верхний предел допустимой температуры. Максимальная температура воды в природных водоемах не должна быть выше 28 °С. В водоемах с холодолюбивыми рыбами (лососевые и сиговые) температура не должна превышать 20 °С летом и 8 °С зимой.

Аналогичные запреты действуют и в западных странах. Так, в США допустимый подогрев воды в природных водоемах не должен превышать 1,5 К. По федеральному закону США максимальная температура сбросной воды должна быть не более 34 °С для водоемов с теплолюбивыми рыбами и 20 °С — для водоемов с холодолюбивыми рыбами.

Во многих странах ограничивают верхний предел температуры сбросной воды. В западноевропейских странах максимальная температура воды при сбросе ее в реку не должна быть выше 28 — 33 °С.

Для предотвращения вредного теплового воздействия на естественные водные объекты используют два пути: строят отдельные проточные водохранилища, в которые сбрасывают теплую воду, обеспечивая интенсивное перемешивание сбросной воды с основной массой холодной воды; применяют циркуляционные оборотные системы с промежуточным охлаждением нагретой воды.

На рис. 7.1 приведена схема прямоточного охлаждения воды со сбросом ее в водоемы в летнее и зимнее время.

Вода после турбины 1 поступает в конденсатор 2 и оттуда направляется в устройство для охлаждения воды 4 (обычно градирню). Затем через промежуточную емкость вода попадает в источник водоснабжения.

На рис. 7.2 приведена схема оборотного охлаждения воды, отличительной особенностью которой является организация замкнутого контура циркуляции воды. После охлаждения в градирне 5 вода насосом 4 вновь подается в конденсатор. В случае необходимости предусмотрен забор воды из природного источника насосом 3. Оборотные системы водоснабжения с испарительным охлаждением циркуляционной воды позволяют в 40 — 50 раз уменьшить потребности электростанций в свежей воде из внешних источников.

Очистка сточных вод, содержащих примеси солей. Такие сточные воды образуются при работе установок по подготовке обессоленной воды (ВПУ), а также в системах гидрозолоудаления (ГЗУ).

Сточные воды в системах ВПУ. При работе водоочистительных установок на электростанциях образуются стоки от промывок механических фильтров, удаления шламовых вод осветлителей и в результате регенерации ионообменных фильтров.

Рис. 7.2. Схема оборотного охлаждения воды:

содержат нетоксичные примеси — карбонат кальция, гидроксиды магния, железа и алюминия, кремнекислоту, гуминовые вещества, частицы глины. Концентрации солей невелики. Поскольку все эти примеси не являются токсичными, после осветления воду возвращают в головную часть водоочистки и используют в процессе водоподготовки.

Регенерационные стоки, содержащие значительные количества солей кальция, магния и натрия, обрабатывают на установках с использованием электродиализа. Схемы таких установок были приведены ранее (см. рис. 5.19 и 5.23). После электрохимической обработки получают очищенную воду и небольшой объем высококонцентрированного раствора солей.

Утилизация сточных вод систем гидрозолоудаления (ГЗУ). Для удаления золошлаковых отходов на большинстве электростанций применяется гидротранспорт. Степень минерализации воды в системах ГЗУ бывает достаточно высокой. Например, при удалении золы, полученной при горении таких видов топлива, как сланцы, торф и некоторые сорта углей, вода насыщается Са(ОН)2 до концентрации 2 — 3 г/л и имеет pH gt; 12.

Сброс воды из систем ГЗУ во много раз превышает суммарный объем всех остальных загрязненных жидких стоков ТЭС. Организация замкнутого водооборота сточных вод в системах ГЗУ позволяет существенно снизить количество сбросной воды. В этом случае осветленная на золоотвале вода возвращается на электростан

цию для повторного использования. В России с 1970 г. все строящиеся электростанции, работающие на твердом топливе, оборудуются системой замкнутых циклов оборота, забирающих воду с установок ГЗУ.

Сложность работы этих систем обусловлена образованием отложений в трубопроводах и аппаратуре. Наиболее опасными с этой точки зрения являются отложения CaC03, CaS04, Са(ОН)2 и CaS03. Они образуются в коммуникациях осветленной воды при pH gt; 11 и пульпопроводах при гидротранспорте золы, содержащей более 1,4% свободного оксида кальция.

Основные мероприятия по предотвращению отложений направлены на снятие перенасыщения осветленной воды. Воду выдерживают в бассейне золоотвала в течение 200 — 300 ч. При этом часть солей выпадает в осадок. После отстоя воду из бассейнов забирают на повторное использование.

Очистка сточных вод, загрязненных нефтепродуктами. Загрязнение воды нефтепродуктами на ТЭС происходит при ремонте мазутного хозяйства, а также за счет утечек масла из маслосистем турбин и генераторов.

В среднем содержание нефтепродуктов составляет 10 — 20 мг/л. Многие потоки имеют гораздо меньшую загрязненность — 1 — 3 мг/л. Но бывают и кратковременные сбросы вод с содержанием нефти и масла до 100 — 500 мг/л.

Очистные установки аналогичны тем, которые применяются на нефтеперерабатывающих заводах (см. рис. 9.11). Стоки собирают в приемные резервуары, в которых их выдерживают 3 —5 ч, а затем направляют в двухсекционную нефтеловушку, представляющую собой горизонтальный отстойник, оборудованный скребковым транспортером. В отстойнике в течение 2 ч происходит разделение загрязнений — легкие частицы всплывают на поверхность и удаляются, а тяжелые оседают на дно.

Затем стоки проходят через флотационную установку. Флотацию производят с помощью воздуха, подаваемого в аппарат под давлением 0,35 — 0,4 МПа. Эффективность удаления нефтепродуктов во флотаторе составляет 30 — 40%. После флотатора вода поступает в двухступенчатую напорную фильтровальную установку. Первой ступенью являются двухкамерные фильтры, загруженные дробленым антрацитом с размером зерен 0,8 —1,2 мм. Скорость фильтрации при прохождении этих фильтров равна 9—11 м/ч. Эффект очистки воды достигает 40%.

Исследованиями последних лет установлена хорошая адсорбция нефтепродуктов частицами золы, получаемыми на ТЭС при горении углей. Так, при исходной концентрации нефтепродуктов в воде 100 мг/л остаточное содержание их после контакта с золой не превышает 3 — 5 мг/л. При исходной концентрации нефтепродуктов 10 — 20 мг/л, что встречается при эксплуатации ТЭС наиболее часто, их остаточное содержание не выше 1 —2 мг/л.

Таким образом, при контакте сточной воды с золой практически достигается тот же эффект, как и при использовании дорогих очистительных установок. Обнаруженный эффект послужил основой для ряда проектных разработок по очистке сточных вод, загрязненных нефтью. Предложено организовать замкнутые циклы по использованию нефте- и маслосодержащих сточных вод в системах ГЗУ без их предварительной очистки.

Очистка сточных вод сложного состава после консервации и промывки теплосилового оборудования. Сточные воды, получаемые после промывки и консервации оборудования, имеют разнообразный состав. В них входят минеральные (соляная, серная, плавиковая) и органические (лимонная, уксусная, щавелевая, адипиновая, муравьиная) кислоты. Веточные воды переходят комп- лексообразователи — трилон и ингибиторы коррозии.

По своему влиянию на санитарный режим водоемов примеси в этих водах разделяют на три группы: неорганические вещества, содержание которых в сточных водах близко к ПДК, — сульфаты и хлориды кальция, натрия и магния; вещества, содержание которых значительно превышает ПДК, — соли железа, меди, цинка, фторсодержащие соединения, гидразин, мышьяк. Эти вещества не могут быть переработаны биологическим путем в безвредные продукты; все органические вещества, а также аммонийные соли, нитриты и сульфиды. Общим для всех этих веществ является то, что они могут быть окислены биологическим методом до безвредных продуктов.

Исходя из состава сточных вод, их очистку проводят в три стадии.

Первоначально воды направляют в усреднитель. В этом аппарате происходит корректировка раствора по pH. При создании щелочной среды образуются гидроксиды металлов, которые должны выпадать в осадок. Однако сложный состав сточных вод создает трудности при образовании осадков. Например условия осаждения железа определяются формой его существования в растворе. Если в воде не содержится трилон (комплексообразователь), то осаждение железа происходит при pH 10,5—11,0. При этих же значениях pH будут разрушены трилонатные комплексы трехвалентного железа Fe3+. В случае присутствия в растворах комплекса двухвалентного железа Fe2+ последний начинает разрушаться только при pH 13. Трилонатные комплексы меди и цинка сохраняют устойчивость при любом значении pH среды.

Таким образом, для того чтобы выделить металлы из стоков, содержащих трилон, необходимо провести окисление Fe2+ до Fe3+ и добавить щелочь до pH 11,5— 12,0. Для цитратных растворов достаточно добавление щелочи до pH 11,0—11,5.

Для осаждения меди и цинка из цитратных и комплексонатных растворов подщелачивание неэффективно. Осаждение может быть осуществлено только при добавлении сульфида натрия. При этом образуются сульфиды меди и цинка и медь может быть осаждена практически при любом значении pH. Для цинка необходимо, чтобы значение pH было выше 2,5. Железо может быть выделено в осадок в виде сульфида железа при pH gt; 5,7. Достаточно высокую степень осаждения для всех трех металлов можно получить только при некотором избытке сульфида натрия.

Технология очистки стоков от фтора заключается в обработке их известью с сернокислотным глиноземом. На 1 мг фтора должно быть добавлено не менее 2 мг А1203. При соблюдении этих условий остаточная концентрация фтора в растворе будет не более 1,4— 1,6 мг/л.

Гидразин (NH2)2 является высокотоксичным веществом (см. табл. 5.20). Он присутствует в стоках только в течение нескольких суток, поскольку со временем происходит окисление гидразина и его разрушение.

Большинство органических соединений, имеющихся в стоках, разрушается при биологической очистке. Для сточных вод, содержащих неорганические вещества, этот метод может быть применен для окисления сульфидов, нитритов, аммонийных соединений. Хорошо поддаются биологической очистке органические кислоты и формальдегид. «Жесткими» соединениями, не окисляющимися биохимическим путем, являются трилон, ОП-Ю и ряд ингибиторов.

На заключительном этапе очистки сточные воды направляют в систему коммунальных стоков. При этом большинство загрязняющих веществ окисляется, а те вещества, которые не изменили свой состав, при разбавлении бытовыми водами будут иметь значение ниже ПДК. Такое решение узаконено санитарными нормами и правилами, в которых указываются условия приема на очистные сооружения промышленных стоков ТЭС.

Таким образом, технология очистки стоков, имеющих сложный состав, проводится в следующей последовательности.

Воды собирают в емкость, в которую добавляют щелочь до заданного значения pH. Осаждение сульфидов и гидроксидов происходит медленно, поэтому после добавления реагентов жидкость выдерживают в реакторе в течение нескольких суток. За это время совершается полное окисление гидразина кислородом воздуха.

Затем прозрачную жидкость, содержащую только органические вещества и избыток реагентов-осадителей, откачивают в магистраль хозяйственно-бытовых стоков.

На ТЭС, располагающих гидрозолоудалением, стоки после химических очисток оборудования могут быть сброшены в пульпопровод. Частицы золы обладают высокой адсорбционной способностью по отношению к примесям. После отстоя такая вода направляется в систему ГЗУ.