О проектировании систем водоподготовки («Строительный Инжиниринг»)

Журнал «Строительный Инжиниринг»

Пригун И.В., Краснов М.С. ООО «Экодар-Л», г.Москва

В настоящее время проектирование объектов водоподготовки средней производительности (5-100 м3/ч) чаще всего выполняется без создания традиционной проектной документации. С одной стороны это сокращает сроки введения системы водоподготовки в эксплуатацию, с другой стороны, увеличивает количество ошибок, которые, при худшем стечении обстоятельств, приводят к неработоспособности системы.

В любом случае процесс проектирования состоит из двух основных этапов - сбор исходных данных и выбор технологической цепи и аппаратного оформления. При наличии достаточной квалификации технологов второй этап представляет значительно меньшую трудность. Основная информация, которая должна быть получена на этапе сбора исходных данных: требуемое качество воды; тип водоисточника; требуемая производительность системы и режим водопотребления; состояние коммуникаций; наличие площадей для размещения оборудования.

Определение требований к качеству воды

При определении требований к качеству воды как для питья, так и для технологических целей в большинстве случаев необходимо и достаточно руководствоваться соответствующими нормативными документами и требованиями к воде самих потребителей, предполагающих использовать воду для определенных целей (например, для котлов, парогенераторов и т.п.). Исключение составляют производства, где такие нормы не установлены или являются «ноу хау» ведущих предприятий этой отрасли. При отсутствии нормативных документов могут возникать определенные сложности. Так, например, в целом перечне пищевых отраслей, в том числе хлебопекарном, мясомолочном производстве, в производстве пищевых концентратов и других единственными нормативами качества воды являются гигиенические требования к качеству питьевой воды. Использование этих нормативов без согласования с технологами конкретных производств может привести не только к неоправданному росту эксплуатационных и капитальных затрат на водоподготовку, но и к порче оборудования. Так, на одном из хлебопекарных производств для полива хлеба через форсунки использовалась питьевая, а не умягченная вода. Ввиду того, что температура в месте расположения форсунок находилась в диапазоне +60–85 ˚С при низкой влажности, форсунки быстро зарастали солями жесткости. Раз в две недели приходилось останавливать линию и производить очистку форсунок. После консультаций со специалистами по водоподготовке была смонтирована система умягчения воды. Профилактическая остановка линии, связанная с очисткой форсунок, стала производиться 1 раз в полгода.

Несмотря на то, что при производстве колбасных изделий используется норматив на питьевую воду, высокая щелочность может отрицательно влиять на качество получаемой продукции. Чтобы уйти от такой ситуации, при высоком значении этого показателя в проект рекомендуется закладывать установку по изменению анионного состава воды.

Нормативы, которые необходимо соблюдать при производстве, питьевой воды и воды, расфасованной в емкости, известны. Ошибок при проектировании систем водоподготовки, связанных с неправильным определением требований к качеству такой воды, практически не бывает.

Выбор типа водоисточника

Далее осуществляется выбор типа водоисточника и определение качества исходной воды. В основном используется три типа вод: водопроводная, артезианская и поверхностная. Общие проблемы водоподготовки, способы их решения и оборудование для реализации проектов достаточно подробно изложены в литературе:

Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. М.: ДеЛи принт, 2004.- 301 с.
Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: издание второе, переработанное и дополненное. Учебное пособие. Т.1.– М.: Издательство АСВ, 2003. – 288 с.
Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: издание второе, переработанное и дополненное. Учебное пособие. Т.2. Очистка и кондиционирование пиродных вод. – М.: Издательство АСВ, 2004. – 496 с.
Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: издание второе, переработанное и дополненное. Учебное пособие. Т.3. Системы распределения и подачи воды. – М.: Издательство АСВ, 2004. – 256 с.
Вода. Санитарные правила, нормы и методы безопасного водопользования населения. Сборник документов. 2-е издание, переработанное и дополненное. /Составители: Ю.А.Рахманин, З.И.Жолдакова, Г.Н.Красовский. – М.: "ИнтерСЭН", 2004. – 768 с.

Сложности при использовании артезианской воды - избыточное доверие к результатам гидрогеологических исследований малого региона. Конкретный пример неправильного подхода к бурению скважин и проблемы ликвидации избыточных количеств компонентов в воде приведены в статье «Организация водоподготовки для коттеджных поселков Подмосковья» (Строительный инжиниринг, № 4, 2007). В этой же статье приведена наиболее часто используемая схема очистки подземных вод.

5.jpg

Достаточно часто происходят разногласия с представителями СЭС по вопросу гиперхлорирования артезианской воды. Понятна их обеспокоенность, когда речь идет о поверхностной воде, так как велика вероятность образования токсичных хлорорганических соединений. Артезианская вода, в отличие о поверхностной, в большинстве регионов, в том числе и московском, примерно в 90% случаев содержит незначительное содержание органических примесей, которые могут образовывать вредную хлорорганику. В то же время, удаление избыточного содержания железа, марганца и создание пролонгированного эффекта обеззараживания – огромный плюс хлорирования с последующей сорбцией агломератов даже на нейтральных сорбентах. Конечно, речь идет не о водоподготовке в коттеджах, где прекрасно работают для обеззараживания УФ-установки, а для удаления железа используются высокоэффективные каталитические сорбенты. В первую очередь это относится к производствам, санаториям и другим подобным объектам, где уже существуют, как правило, не новые трубопроводные сети.
При использовании воды из городского водопровода необходимо проведение независимого химического анализа непосредственно в месте размещения системы водоподготовки, поскольку выходящая со станции водоочистки вода соответствует всем нормативным требованиям, кроме остаточного хлора. Пройдя по километрам трубопроводов, ее состав может значительно измениться. При обращении потребителя за данными по составу воды в органы санитарно-эпидемиологического контроля будут получены лишь сведения о строгом соответствии ее питьевым нормам. Фактическое состояние воды останется «за кадром». Так, на одной из частных пивоварен процесс создания системы предварительной подготовки воды растянулся на шесть этапов, пока не были учтены все возможные колебания в составе водопроводной воды. Все это время производство не могло выйти на нормальный режим работы, что привело к значительным финансовым потерям.

6.jpg

Наиболее часто встречающаяся схема доочистки воды из городского водопровода там, где не наблюдается значительного превышения ПДК по таким компонентам, как «железо», «мутность», «цветность» - это фильтрация грубых механических примесей, сорбция органических примесей и окисленного железа на активированном угле, частичное умягчение воды и обеззараживание её на ультрафиолетовой установке. Такие системы наиболее часто встречаются в элитных жилых комплексах, торговых и фитнес-центрах, предприятиях общественного питания.

Вода поверхностных источников — рек, озер и т. д. характеризуется значительными сезонными колебаниями качества. Незнание этого приводит к очень серьезным последствиям. На одном из крупнейших отечественных целлюлозно-бумажных комбинатов в техническом задании, выданном зарубежному поставщику системы водоподготовки, был приведен состав исходной воды в зимний период года. Результатом был своеобразный памятник безответственному отношению к делу в виде непригодного для эксплуатации цеха водоподготовки стоимостью несколько сот тысяч долларов США.

В основном, вода из поверхностных источников характеризуется повышенным содержанием механических примесей, органических веществ и минеральных примесей, характерных для конкретного региона, а также высоким микробиологическим заражением. Для очистки этого типа вод наиболее часто используются процессы коагуляции и флокуляции, однако, в связи с бурным развитием мембранных технологий, всё больше появляется реализованных проектов с использованием ультрафильтрации.

Тем не менее, выбирая между артезианской и поверхностной водой, можно сказать, что при солесодержании менее 1,0 г/л предпочтительнее использовать подземные водоисточники. Исключение составляют воды с повышенным содержанием (более 5 ПДК) какого-либо трудноуловимого компонента – бора, аммиака, радона и других.

Выбор параметров станции водоподготовки

7.jpg

Как было отмечено в статье «Организация водоподготовки для коттеджных поселков Подмосковья» (Строительный инжиниринг, № 4, 2007), неточный расчет требуемой производительности станции водоподготовки может привести к неприятным последствиям. Наиболее частый случай подобных ошибок связан с применением крупногабаритного напорного фильтрующего оборудования, условия промывки которого требуют величины подачи промывной воды, в несколько раз превышающей производительность по очищенной воде. Точно так же неприемлемо использование системы с неоправданно завышенной производительностью. Это нецелесообразно не только с экономической точки зрения, но и потому что недостаточный водоразбор может привести к отказу отдельных узлов системы водоподготовки. Так, например на одном из предприятий по производству бутилированных вод и безалкогольных напитков была установлена система водоподготовки с затребованной заказчиком производительностью 20 м3/час. Эта схема в качестве одного из узлов обработки включала озонатор. Предприятие-изготовитель озонатора гарантировало введение озона в необходимых количествах при водопотреблении от 7 до 25 м3/час. При снижении водопотребления в ночную смену до уровня менее 5 м3/час озонатор автоматически отключался, что приводило к получению воды с неудовлетворительными показателями качества.

Что касается вида коммуникаций, то здесь многие возникающие проблемы связаны с несогласованностью действий строительных организаций и поставщиков водоочистного оборудования. Например, при строительстве элитного жилого комплекса в состав проекта была заложена система предварительной очистки воды для хозяйственного водоснабжения. Оборудование было закуплено и смонтировано строителями согласно проектной спецификации, с целью сокращения расходов к этому процессу не были привлечены инженерно-монтажные службы поставщика водоочистного оборудования. Нюанс состоял в том, что водопровод хозяйственного водоснабжения, был проложен из черной стали. На выходе системы водоочистки содержание железа в воде составляло менее 0,2 мг/л, а в квартиры приходила вода с содержанием железа более 1 мг/л, то есть более 3 ПДК. На вопрос: «Что дополнительно поставить на выходе системы водоподготовки, чтобы в квартирах была нормальная вода?» ответа, естественно, не нашлось. Кроме таких ситуаций, как показывает опыт, при использовании старых трубопроводов для подачи очищенной воды, качество воды у потребителя в первые 3-6 месяцев будет хуже, чем до введения в эксплуатацию станции водоподготовки, что связано с постепенным растворением отложений на внутренней поверхности труб.

При определении давления исходной воды наиболее частая ошибка заключается в том, что предоставленные данные соответствуют статическому, а не динамическому режиму. Если исходные коммуникации способны обеспечить требуемое давление при расходе, близком к нулю, это не значит, что при вводе в эксплуатацию системы водоподготовки величина исходного давления сохранится на приемлемом уровне. Для нормального функционирования систем осветления, сорбции и ионного обмена требуется поддержание давления во входной линии от 2,5 до 6,5 атм (бар). Эти ограничения обусловлены тем, что при меньшем давлении резко повышается вероятность отказа в работе узлов гидроуправления, а во время длительной работы при большем давлении увеличивается вероятность появления протечек в разборных соединениях. Отсутствие динамических данных приводит к затягиванию пуско-наладочных работ и, чаще всего, к превышению запланированных величин капитальных затрат в связи с необходимостью установки дополнительного насосного оборудования.

Особое внимание при проектировании системы водоподготовки необходимо уделить вопросу для размещения оборудования и проведения коммуникаций, так как для этого требуется достаточно большой объем помещения. Например, при строительстве элитного фитнес-центра было выделено нормальное помещение под станцию водоподготовки, в котором планировалось разместить фильтры, имеющие большую высоту. Без согласования, по этому помещению были проведены коммуникации, не имеющие отношения к водоподготовке. Для достижения требуемой производительности пришлось размещать большее число фильтров, имеющих меньшую высоту, при этом резко сократилась зона обслуживания.

Определенную сложность представляет размещение узлов вокруг не предусмотренных в проекте дополнительных конструкционных элементов (опорных колонн, перегородок, дренажных приямков, воздуховодов и т. п.) и агрегатов (распределительных шкафов, накопительных емкостей, теплообменников и т. д.).

Процесс проектирования системы водоподготовки

Следующий этап проектирования – это выбор технологической цепи и аппаратного оформления - этап постоянных компромиссов проектировщика и заказчика. В целом последовательность действий проектировщика здесь выглядит следующим образом:

  1. Ответ на вопрос: «Возможно ли точное решение поставленной задачи очистки воды?»
  2. Подбор существующих методов очистки воды, пригодных для выполнения задачи
  3. Определение внешних ограничений применимости методов очистки
  4. Оптимизация выбора оборудования и последовательности обработки воды по соотношению капитальных и эксплуатационных затрат
  5. Выбор поставщиков оборудования, комплектующих и расходных материалов
  6. Определение необходимой степени автоматизации и резервирования
  7. Проектирование в зависимости от того, планируется ли в дальнейшем значительное увеличение водопотребления или нет

Постановка задачи

Ответ на вопрос о выполнимости поставленной задачи связан с тем, что, как правило, конечный потребитель недостаточно осведомлен о пределах возможностей существующих технологий. Например, заказчиком ставится с его точки зрения совершенно реальная и, можно сказать, рядовая проблема: «Необходимо удалить только сульфаты, оставив все остальные показатели без изменений». В этом случае задача проектировщика состоит в попытке объяснить, что именно можно осуществить для максимального приближения к заданной цели, как это отразится на обрабатываемой воде и какие меры могут быть предприняты для минимизации побочного действия. Здесь же необходимо проводить предварительную оценку материальной стороны проекта. Представитель любой организации, занимающейся разработкой и поставкой систем водоподготовки, подтвердит, что огромное количество коммерческих предложений (более 70%) разрабатывается заведомо «в корзину». В значительной мере это связано с тем, что зачастую сменить водоисточник для потребителя оказывается намного дешевле решения задачи по доведению качества исходной воды до поставленных требований, но этот факт вызывает у потребителя сомнения. Довольно долгое время по организациям соответствующего профиля курсировал запрос на очистку минеральной воды, имеющей превышение допустимых норм по уровню органических загрязнений, содержанию аммониевых соединений, железа, марганца, бора и мышьяка. По самым скромным подсчетам стоимость очистки 1 м3 воды подобного состава, с учетом амортизации оборудования и максимального периода окупаемости необходимых капиталовложений, превышала рыночную стоимость полученного продукта более чем в два раза. Тем не менее, автор запроса упорно отказывался доверять предоставленным сведениям, продолжая перенаправлять запросы различным водоочистным фирмам Москвы.

Выбор метода очистки воды

Вероятность возникновения ошибок при подборе существующих методов очистки воды, пригодных для выполнения задачи, в наибольшей степени зависит от квалификации проектировщика. К сожалению, как и в любом деле, существует риск «нарваться» на дилетанта. Даже не принимая во внимание заведомо ложные заявления некоторых поставщиков оборудования, типичным примером является ситуация, когда навыки и опыт проектирования бытовых и коттеджных систем очистки воды пытаются перенести на промышленные линии, что влечет за собой полную неработоспособность предложенной схемы. Другая крайность – когда проектирование современной станции водоочистки отдается специалистам старой школы, не полностью осведомленным о возможностях современных систем. В проекты закладывается устаревшее оборудование, фильтрующие материалы, средства автоматики и контроля предприятий, которые к моменту проектирования прекратили свое существование.

Даже при достаточной квалификации проектировщика есть шанс нарваться на упрямого заказчика, который упорно отметает разумные доводы. Владельцу коттеджа с неглубокой скважиной, имеющей общую микробную обсемененность (ОМЧ) около 100 КОЕ/мл было предложено несколько вариантов схем, позволяющих защитить устанавливаемое водоочистное оборудование от зарастания микроорганизмами. Однако им была выбрана схема с обеззараживанием воды УФ-облучением только на выходе. Через месяц после монтажа установки в отобранной пробе очищенной воды ОМЧ составляло 3000 КОЕ/мл. Проблема была решена только после дезинфекции фильтрующих загрузок и введения в них компонентов, обеспечивающих бактериостатический эффект.

Определение внешних ограничений применимости методов очистки воды

Определение внешних ограничений применимости методов в значительной степени основано на необходимости досконального знания негативных сторон той или иной технологии очистки воды. Надо точно представлять возможности объекта по минимизации негативных факторов. Так например, нужно учитывать следующие аспекты:

  • при использовании систем химического обессоливания в обязательном порядке следует удостовериться в возможности решения задач нейтрализации кислотно-щелочных стоков
  • для реагентных методов обработки характерна проблема приготовления исходных растворов
  • технология обратного осмоса требует соответствующей пропускной способности канализации или возможности сброса воды с повышенным солесодержанием на рельеф

В качестве примера можно привести конкретную ситуацию - в компанию, занимающуюся поставками водоочистного оборудования, поступил запрос на приобретение установки умягчения, способной обрабатывать 25 м3/час воды с величиной жесткости 19 мг-экв/л. Заказчиком была строительная организация, малоосведомленная о возможном экологическом воздействии на подобных установок, выражающемся в засолении почвы при сбросе воды на рельеф во время восстановления работоспособности. Классическую систему натрий-катионирования, регенерируемую раствором поваренной соли, смонтировали в коттеджном поселке, не имеющем ни общей канализации, ни соответствующих очистных сооружений. После того, как за месяц на рельеф сбросили около 10 тонн соли от регенераций фильтров, местность вокруг хозяйственного здания стала сильно напоминать солончак.

Также распространена ситуация с применением в схемах водоочистки реагентов и расходных материалов, приобретение которых в районе расположения объекта затруднено или вообще не представляется возможным. В связи с этим, например, вместе с мобильными контейнерными установками очистки воды для районов крайнего севера необходимо поставлять комплект расходных материалов на сезон.

Оптимизация выбора последовательности очистки воды

Оптимизация выбора последовательности очистки воды по соотношению капитальных и эксплуатационных затрат — одна из самых сложных задач проектирования, которая должна осуществляться только в самом непосредственном контакте с потребителем. Для крупных производств, как правило, решающее значение имеют эксплуатационные затраты, для малых — капитальные. Зачастую выбор на данном этапе делает сам потребитель, после получения расчетов по себестоимости очистки единицы объема воды, сроков окупаемости капитальных затрат, уровне точечных вложений в эксплуатацию и других финансово-экономических факторов. При выполнении серьезных крупномасштабных проектов разрабатывается технико-экономическое обоснование вложений, служащее основой для принятия окончательного решения выбора технологии.

Выбор оборудования

Выбор поставщиков оборудования, комплектующих и расходных материалов в значительной мере базируется на уровне цены, надежности, доступности и степени избыточности. Так, например, задачу введения реагентов можно решить с использованием дозирующей техники самого разного диапазона стоимости. Но нет никакого практического смысла пользоваться высокоточным агрегатом с допустимой погрешностью менее 1 мл/час при требуемой величине дозирования несколько литров в час, учитывая, что стоимость сопоставимого по надежности дозирующего насоса с большей погрешностью в несколько раз ниже. С другой стороны, если поставщик оборудования с целью удешевления схемы выбирает комплектующие малораспространенного производителя, это автоматически означает значительную сложность в последующем обслуживании и ремонте, о чем потенциальный потребитель должен быть заранее поставлен в известность. Достаточно часто встречается случай, когда с целью экономии капитальных затрат используется более дешевое, но менее надежное оборудование. Например, при интенсивной эксплуатации скважин с использованием дешевых насосов первоначальный выигрыш оборачивается серьезными проблемами.

Определение необходимой степени автоматизации и резервирования в основном связано с требованиями к квалификации обслуживающего персонала и критичности соответствующего узла для работоспособности системы водоочистки в частности и производства в целом. Для наиболее важных узлов, таких как насосное и компрессорное оборудование, систем обеззараживания и энергообеспечения, соответствующую степень резервирования устанавливают нормативные документы в строительстве. Для менее критичных величину резерва согласовывают с требованиями технологического процесса и порядке, принятым на конкретном производстве. Наиболее частой ошибкой в данном случае является использование сложного высокотехнологичного оборудования на объектах, где отсутствует персонал, способный грамотно его обслуживать. Примером тому может являться использование промышленных обратноосмотических установок в частных хозяйствах — характерная ситуация для приморских районов нашей страны, испытывающих затруднения с наличием пресной артезианской воды. В абсолютном большинстве этих случаев малейшие сбои в работе оборудования ведут к полному выходу его из строя.

Периодически перед компаниями по водоподготовке ставится задача увеличения производительности существующей системы водоподготовки. Она достаточно легко решается, если есть резервный объем помещения и модернизацию проводит фирма, ранее устанавливавшая это оборудование. В этом случае вопрос о совместимости не возникает. Если было использовано оборудование малоизвестного производителя или оборудование было установлено достаточно давно, целесообразнее провести полную замену на более современное высокопроизводительное.

8.jpg

Нельзя обойти вниманием тот факт, что как бы не была хорошо спроектирована и рассчитана система, ее может испортить неквалифицированный монтаж. Конкретный пример. Несмотря на то, что монтаж оборудования на объекте был проведен зарубежной фирмой, не работала система промывки с автоматическим переключателем потоков. Фильтр не работал потому, что во время монтажа была произведена некачественная склейка фитингов ПВХ и разрушена перегородка между входным и выходным потоками. Достаточно часто встречаются системы с отсутствием пробоотборников и манометров в тех местах, где они необходимы, с внутренними напряжениями трубопроводов, возникающих при неправильном монтаже.

Однако, в целом уровень проектов систем водоподготовки, выполненных в России за последние несколько лет, значительно вырос. По крайней мере, при проведении экспертизы проекта или обследования недавно смонтированных систем водоподготовки, грубых, принципиальных ошибок уже практически не наблюдается. Кроме того, явно виден переход к применению современных, высокоэффективных, ресурсосберегающих технологий.




Дата публикации: 03.09.2011