Возможности применения установок АКВАХЛОР и СТЭЛ для обработки оборотной воды в охлаждающих колоннах.

УДК 541.135; 628.192.

ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УСТАНОВОК АКВАХЛОР И СТЭЛ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ В ОХЛАЖДАЮЩИХ КОЛОННАХ

В.Г. Паничев

ООО "ЛЭТ", RSCECAT, USA

Установки АКВАХЛОР дают возможность обработки оборотной воды в малых и средних охлаждающих колоннах газообразным хлором, получаемым на месте применения. Обработка происходит в непрерывном режиме, что позволяет достичь лучшых микробиологических результатов при концентрации хлора в оборотной воде 0,2-0,3 мг/л против 2-5 мг/л при обеззараживании традиционным способом.

АКВАХЛОР, системы оборотного охлаждения, дезинфекция.

Вторым по потреблению воды после использования ее в сельском хозяйстве является применение ее в водяного охлаждения (охлаждающих колоннах). Примерно 50 млн. тонн воды в год изымается из надземных и подземных источников для использования в охлаждающих колоннах. По оценкам экспертов ООН к 2025 году наша планета будет испытывать дефицит пресной воды. Этим объясняется тенденция на уменьшение потребления пресной воды за счет увеличения циклов ее оборота и уменьшения сброса. Однако увеличение циклов и уменьшение сброса ведет к повышенному образованию отложений солей жесткости, росту общей минерализации воды, повышению рН и, как следствие, росту биопленок и водорослей, что в итоге снижает эффективность работы охлаждающих колонн. 425 млн. долларов тратится ежегодно на потребление примерно 85 тысяч тонн дезинфектантов для обработки воды в охлаждающих колоннах и поддержания их в рабочем состоянии.

Все дезинфектанты, применяемые для обработки воды в охлаждающих колоннах могут быть разбиты на две группы:

1. Окислители: жидкий и газообразный хлор, гипохлорит, диоксид хлора, бром, озон, пероксид водорода.

2. Неокислители: метилен-бис-тиоцианид, изотиазолин, соли четвертичных аммониевых оснований, ультрафиолет.

Дезинфектанты первой группы доминируют на рынке обработки охлаждающей воды в силу исторических причин, поскольку являются более дешевыми и более эффективными в сравнении с дезинфектантами второй группы. Сравнительная оценка некоторых из них представлена в табл. 1. Необходимо отметить, что лидирующее положение среди окислителей занимает хлор газ и гипохлорит натрия и кальция.

Несмотря на высокую эффективность газообразного хлора как биоцидного агента при обработке воды, относительную доступность и дешевизну, в последнее время наметилась тенденция к отказу от его использования в пользу более дорогих, более безопасных, но менее эффективных реагентов. Эта тенденция связана также с особенностями развития рынка охлаждающих колонн в мире (рис.1). Рынок охлаждающих колонн может быть представлен четырьмя группами оборудования, отличающегося объемом оборотной воды:

Малые охлаждающие колонны (офисы, школы, больницы, университеты, и т.д.)
Средние охлаждающие колонны (малые производства, например, переработка пластмасс, пищевое производство, малое химическое производство)
Большие охлаждающие колонны (промышленность, например сталелитейная, бумажная)
Очень большие – знергодобыча (тепловые, гидро и атомные электростанции).

Рис.1 Распределение потребления оборотной охлаждающей воды на мировом рынке.

Следует заметить, что весь объем воды, потребляемый первой и второй группами вместе, практически равен объему воды, потребляемому группами 3 и 4 . Динамика развития рынка охлаждающих колонн представлена на рис.2. Из рис.2 видно, что наиболее динамично развиваются группы 1 и 2 (20% и 30% роста соответственно). Тенденция снижения роста наблюдается в энергодобывающей отрасли мирового хозяйства и резкое снижение роста охлаждающих колонн в группе больших колонн.

Выбор дезинфектантов для обработки охлаждающей воды экономически связан с типом охлаждающей колонны (объемом обрабатываемой воды), а также размером компании, эксплуатирующей охлаждающие колонны. Использование наиболее дешевого и высокоэффективного дезинфицирующего агента – газообразного хлора, требует дополнительных затрат на специальные помещения для хранения сжиженного/газообразного хлора, соблюдение мер безопасности при работе с ним (необходимость специального обучения персонала), регулярные инспекции газоподводящего оборудования, газоанализаторов, затраты на средства защиты и аварийную остановку производства в случае утечки газа. Все эти затраты экономически обоснованы для третьего и четвертого типа охлаждающих колонн, при: больших объемах используемых дезинфектантов, наличии специальной инженерной службы, наличия инфраструктуры (помещения, специальное оборудование). В случае малых и средних охлаждающих колонн, компании отдают предпочтение более дорогим, менее эффективным, но более безопасным дезинфектантам. Это экономически обосновано с точки зрения удельных затрат на обработку небольших объемов воды. Однако в большинстве случаев для эффективной обработки требуется комплексный подход, то есть чередование дезинфектантов, использование буферов, кислот, и т.д.

Таблица 1

. Характеристики некоторых дезинфектантов воды.

Тип дезинфектанта	Характеристика	Достоинства	Недостатки
Хлор	Применяется в газообразном виде, требует собдюдения строжайших мер безопасности	Эффективный окислитель и дезинфектант Эффективен для удаления вкусов и запахов Обладает последействием Способен контролировать рост водорослей, биопленок, микроорганизмов Разрушает органические загрязнения (фенолы…) Окисляет железо и магний Разрушает сульфид водорода, цианиды, аммиак и другие соединения азота	Повышенные требования к перевозки и хранению Потенциальный риск здоровью в случае утечки Образование побочных продуктов дезинфекции, таких как хлороформ (последние исследования свидетельствуют о преувеличении риска для здоровья как минимум в 2000 раз. Уровень ПДК в воде в ближайшее время будет увеличен с 60 мкг/л до 60 мг/л, т.к. не подтвердилось прямого воздействия хлороформа на ДНК)
Хлорсодержащие
Гипохлорит	Применяется в жидком и гранулированном виде (товарная концентрация - 10 - 12%), возможно получение на месте потребления электрохимическим способом.	эффективен против большинства болезнетворных микроорганизмов относительно безопасен при хранении и использовании при получении на месте - не требует транспортировки и хранения химикатов.	неэффективен против цист (Giardia, Cryptosporidium) теряет активность при длительном хранении, потенциальная опасность выделения газообразного хлора при хранении образует тригалометаны при получении на месте, требует немедленного использования, либо специальных мер по очистке исходной воды и соли от ионов тяжелых металлов, в случае необходимости хранения; при получении на месте, раствор NaClO с концентрацией активного хлора менее 450 мг/л не образует хлораты в процессе хранения
Диоксид хлора	Получается только на месте применения. Самый эффективный дезинфектант и самый сильный окислитель из хлорсодержа щих.	работает при пониженных дозах не образует хлораминов не способствует образованию тригалометанов разрушает фенолы - источник неприятного вкуса и запаха эффективный окислитель и дезинфектант для всех видов микроорганизмов, включая цист (Giardia, Cryptosporidium) и вирусов не образует бромидов из броматов способствует удалению из воды железа и магния, путем их быстрого окисления и осаждения оксидов	обязательно получение на месте применения требует перевозки и хранения химикатов при взаимодействии с органическими примесями образует побочные неорганические продукты образует хлораты и хлорит ион
Хлорамин	Образуется при взаимодействии аммиака с активным хлором, используется как дезинфектант пролонгированного действия	обладает устойчивым и долговременным последействием способствует удалению постороннего запаха и вкуса снижает уровень образования тригалометанов и хлорорганических кислот предотвращает образование биопленок в системах распределения	слабый дезинфектант и окислитель по сравнению с хлором неэффективен против вирусов и цист (Giardia, Cryptosporidium) высокие дозировки и пролонгированное время контакта требуются для дезинфекции представляет опасность для больных, пользующихся диализаторами, т.к. способен проникать сквозь мембрану диализатора и поражать эритроциты образует азотсодержащие побочные продукты
Альтернативные
Озон	Используется на протяжении нескольких десятков лет в некоторых европейских странах для дезинфекции, удаления цвета, контроля вкуса и запаха	сильный дезинфектант и окислитель очень эффективен против вирусов наиболее эффективен против Giardia, Cryptosporidium, а также любой другой патогенной микрофлоры способствует удалению мутности из воды удаляет посторонние привкусы и запахи не образует хлорсодержащих тригалометанов	образует побочные продукты, включающие: альдегиды, кетоны, органические кислоты, бромсодержащие тригалометаны (включая бромоформ), броматы (в присутствии бромидов) пероксиды, бромуксусную кислоту необходимость использования биологически активных фильтров для удаления образующихся побочных продуктов не обеспечивает остаточного дезинфицирующего действия требует высоких начальных затрат на оборудование значительные затраты на обучение операторов и обслуживание установок озон, реагируя со сложными органическими соединениями, расщепляет их на более мелкие составляющие, которые могут служить питательной средой для роста микроорганизмов в системах распределения воды
Ультрафиолет	Процесс заключается в облучении воды ультрафиолетом, способным убивать различные типы микроорганизмов.	Не требует хранения и транспортировки химикатов не образует побочных продуктов	нет остаточного действия не эффективен против цист (Giardia, Cryptosporidium) требует больших затрат на оборудование технической обслуживание требует высокие операционные (энергетические) затраты дезинфицирующая активность зависит от мутности воды, ее жесткости (образования отложений на поверхности лампы), осаждения органических загрязнений на поверхности лампы, а также колебаний в электрической сети, влияющих на изменение длины волны.

Использование электрохимических систем, производящих активный хлор на месте потребления, дает возможность повысить качество обработки воды в малых и средних охлаждающих колоннах при снижении (исключении) затрат на меры безопасности, перевозку, хранение хим. реагентов. Широкое применение таких систем было ограничено в связи с дороговизной установок, низкой степени превращения хлорида натрия в активный хлор (не более 7%), высокой начальной концентрацией соли в обрабатываемом растворе (30г/л и выше), что приводило к засаливанию (повышению общей минерализации обрабатываемой) воды, необходимость использования дополнительного оборудования для очистки воды и соли перед получением дез. растворов. В последние время появились электрохимические системы, способные обрабатывать низкоминерализованные растворы хлорида натрия с получением кислого анолита и щелочного католита. Недостатком таких систем является высокий сброс щелочного раствора – католита (до 50%). Применение систем для получения растворов гипохлорита (до 7 г/л) на месте потребления требует использования кислоты для поддержания нейтрального рН и предотвращения процессов роста биопленок и отложения солей жесткости.

Рис.2 Распределение рынка охлаждающих колонн.

- Малые охлаждающие колонны (офисы, школы, больницы, университеты, и т.д.)
- Средние охлаждающие колонны (малые производства, например, переработка пластмасс, пищевое производство, малое химическое производство)
- Большие охлаждающие колонны (промышленность, например сталелитейная, бумажная)
- Очень большие – знергодобыча (тепловые, гидро и атомные электростанции).

Общая динамика – годовой рост ~5% за счет первой и второй категорий.

С появлением систем типа АКВАХЛОР появилась возможность обработки оборотной воды в малых и средних охлаждающих колоннах газообразным хлором, получаемым на месте применения. Производительность по хлору в системах АКВАХЛОР может варьироваться от 0,5 до 30кг в день, в зависимости от числа элементов ПЭМ в электрохимическом реакторе установки. Обработка воды может проводиться как в режиме непрерывного введения получаемого газа в поток обрабатываемой воды, так и периодически с использованием раствора гипохлорита, получаемого в результате растворения газа в католите с возможностью регулирования рН. Практические результаты применения АКВАХЛОРА при непрерывной обработке оборотной воды газообразным продуктом показали возможность снижения концентрации остаточного хлора в оборотной воде до 0,2 – 0,3 мг/л в сравнении с традиционными 2 – 5 мг/л. Непрерывная обработка позволяет достичь лучших микробиологических показателей (менее 100колоний/мл против допустимых 1000 колоний/мл) при значительном снижении коррозии.

Для малых охлаждающих колонн обосновано также применение установок СТЭЛ, получающих биоцидные растворы из низкоминерализованной воды с возможностью регулирования рН. Степень превращения соли в установках СТЭЛ в 2-3 раза превышает степень превращения соли в других известных на сегодняшний день электрохимических системах генерирования растворов активного хлора.

По мнению автора, применение электрохимических систем СТЭЛ и АКВАХЛОР является наиболее эффективным методом обработки оборотной воды в малых и средних охлаждающих колоннах.