Способ подготовки добавочной воды для тепловых сетей

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к области водоочистки с использованием микроорганизмов. Способ осуществляют путем подкисления исходной воды и удаления из нее растворенного кислорода. Указанные стадии осуществляют совместно путем взаимодействия исходной воды с элементной серой в присутствии бактерий рода Thiobacillus. Изобретение позволяет повысить химическую и экологическую безопасность процесса подготовки добавочной воды. 2 з.п. ф-лы.

 

Предлагаемое изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к способам подготовки добавочной воды теплосети с использованием биохимического процесса окисления, основанного на использовании микрорганизмов (бактерий) рода Thiobacillus.

Предлагаемое изобретение предназначено для использования в котельных и на тепловых электростанциях.

Известен способ очистки воды от сероводорода в реакторе биохимического окисления путем пропускания исходной воды и воздуха через затопленную зернистую загрузку щебня или гравия. В результате через 1-2 недели на загрузке развиваются тионовые бактерии Thiobacillus thioparus, окисляющие сероводород до серы и сульфатов. В случае необходимости интенсификации развития тионовых бактерий в исходную воду перед реактором биохимического окисления вводят раствор триполифосфата натрия (1).

Известен также способ очистки промышленных сточных вод от сульфидов путем их бактериального окисления, канализируемого микроорганизмами Thiobacillus ferroxidans (2).

Действие бактерий Thiobacillus thioparus или Thiobacillus ferroxidans в известных способах основано на их способности окислять содержащийся в исходной воде сероводород или сульфиды до серы и сульфатов.

Известные способы обеспечивают снижение содержания в воде сероводорода, сульфидов и железа двухвалентного.

Недостатком известных способов (1 и 2) является то, что они могут быть использованы только при наличии в воде свободного сероводорода или сульфидов. Известные способы не позволяют удалять из воды нитрат-ионы.

Известен способ подготовки добавочной воды для тепловых сетей, включающий стадии: коагуляции и осветления; или обезжелезивания; декарбонизации и термической деаэрации воды (3).

Недостатком способа является сложность и многостадийность процесса.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ подготовки добавочной воды для тепловых сетей, включающий подкисление исходной воды и удаление из нее растворенного кислорода.

Для подкисления используют серную кислоту и подкисление добавочной воды осуществляют с целью снижения карбонатной жесткости воды, обусловленной присутствием в воде бикарбонат-иона. При подкислении бикарбонат-ион заменяется сульфат-ионом и образуется свободная углекислота:

Са(НСО₃)₂+H₂SO₄=CaSO₄+2CO₂+2Н₂O.

Подачу серной кислоты осуществляют дозатором пропорционально расходу исходной воды. Для исключения возможности попадания кислой воды в водонагревательное оборудование и теплосеть подкисленную воду подвергают катионированию на буферном нерегулируемом фильтре. Удаление растворенного кислорода осуществляют путем вакуумной термической деаэрации (3).

Недостатком известного способа является сложность и высокая стоимость процесса, обусловленные наличием нескольких стадий, использованием дорогостоящих энергоресурсов для термической деаэрации, высокой стоимостью серной кислоты и катионитов.

Недостатком способа также является использование агрессивной и химически опасной серной кислоты, необходимость и трудность ее систематического дозирования пропорционально расходу исходной воды с коррекцией по качеству обработанной воды.

Кроме того, известный способ характеризуется наличием вторичных сточных вод, получаемых в результате регенерации катионитовых фильтров.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа подготовки добавочной воды для тепловых сетей, в котором путем изменения условий известного способа, в частности использования определенных, самих по себе известных веществ, обеспечивается возможность упрощения и удешевления способа.

Эта задача решается тем, что в известном способе подготовки добавочной воды для тепловых сетей, включающем подкисление исходной воды и удаление из нее растворенного кислорода, согласно предлагаемому изобретению указанные стадии осуществляют совместно путем контактирования исходной воды с элементной серой в присутствии бактерий Thiobacillus thioparus и/или Thiobacillus denitrificans, и процесс осуществляют при температуре 4-60°С и времени контакта 5-60 минут.

Поставленная задача решается тем, что процесс осуществляют при дополнительной подаче воздуха.

А также тем, что подачу воздуха регулируют в зависимости от получения необходимого карбонатного индекса воды в пределах 0,5-20 (мг-экв/дм³)².

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в упрощении и повышении экономичности процесса подготовки подпиточной воды путем совмещения процессов обескислороживания и подкисления воды. При этом серную кислоту получают непосредственно в процессе обескислороживания воды путем окисления серы находящимися в воде растворенными окислителями: кислородом и другими окислителями, например нитратом натрия. Процесс обескислороживания воды и образования серной кислоты протекает в присутствии тионовых бактерий рода Thiobacillus, в частности Thiobacillus thioparus и/или Thiobacillus denitrificans, no следующим реакциям:

Снижение карбонатной жесткости воды происходит в результате нейтрализации содержащегося в воде бикарбоната кальция образовавшейся серной кислотой по реакции

Са(НСО₃)₂+Н₂SO₄=CaSO₄+2СO₂+2Н₂O.

В случае большой жесткости исходной воды и возможной в связи с этим недостаточностью находящихся в воде окислителей (растворенных кислорода и нитрата натрия) для получения серной кислоты биохимическим окислением серы для окисления используют добавочный воздух. Расход воздуха регулируют в зависимости от того, с какой величиной карбонатного индекса необходимо получить обработанную добавочную воду. Карбонатный индекс «Ик» - это предельное значение произведения общей щелочности и кальциевой жесткости воды, выше которого протекает карбонатное накипеобразование с интенсивностью более 0,1 г/м²·ч.

По сравнению с прототипом преимуществом предлагаемого способа является:

- упрощение технологического процесса;

- упрощение регулирования процесса;

- простота и безопасность обслуживания;

- исключение использования агрессивной и химически опасной серной кислоты в ее натуральном виде;

- снижение себестоимости процесса за счет исключения дорогостоящей стадии термического обескислороживания, исключения использования катионитов, серной кислоты, дозаторов и автоматических систем для ее дозирования;

- исключения вторичных сточных вод, запрещенных к сбросу.

Следующим преимуществом предлагаемого способа является то, что он позволяет обрабатывать неограниченные объемы воды, используя для этого легкодоступные и дешевые исходные материалы: элементную гранулированную серу и небольшое количество «затравки» выделенной из почвы культуры тионовых бактерий рода Thiobacillus.

Еще одним преимуществом предлагаемого способа является то, что он позволяет использовать исходную воду с различной степенью жесткости, например, совершенно не умягченную воду с карбонатной жесткостью 4 мг-экв/дм³, или воду, предварительно умягченную Na-катионированием, содержащую растворенный кислород и окислители-нитраты, или воду с высоким карбонатным индексом, доводить ее до необходимого карбонатного индекса с последующей обработкой ингибиторами накипи, например оксиэтилидендифосфоновой кислотой (ОЭДФК).

Предлагаемый способ осуществляют путем контактирования исходной воды с элементной серой в присутствии тионовых бактерий рода Thiobacillus» в частности, Thiobacillus thioparus и/или Thiobacillus denitrificans и процесс осуществляют при температуре 4-60°С и времени контакта 5-60 минут. Процесс осуществляют при дополнительной подаче воздуха, причем его подачу регулируют в зависимости от получения необходимого карбонатного индекса воды в пределах 0,5-20 (мг-экв/дм³)².

В качестве источника тионовых бактерий рода Thiobacillus, в частности Thiobacillus thioparus и/или Thiobacillus denitrificans, используют небольшое количество (0,5-10,0 кг/м³ серы) влажной почвы или ила, которые являются источником этих бактерий. Из литературных данных известно, что тионовые бактерии рода Thiobacillus, в частности Thiobacillus thioparus и/или Thiobacillus denitrificans, широко распространены в почвах, особенно во влажных и богатых неразложившимися органическими остатками, в ризосферах, а также в илах ("Большой справочник по микробиологии" под общей редакцией проф. Г.Л.Селибера, Госиздат, Высшая школа, Москва, 1962 г., с.188).

Процесс подготовки воды осуществляют в фильтре, в котором в качестве «загрузки» используют гранулированную серу крупностью 2-5 мм и небольшое количество (0,5-10,0 кг/м³ серы) влажной почвы или ила, которые являются источником бактерий Thiobacillus thioparus и/или Thiobacillus denitrificans.

В случае подачи воздуха процесс осуществляют в одну или две стадии путем контактирования исходной воды с элементной серой в присутствии бактерий Thiobacillus thioparus и/или Thiobacillus denitrificans («загрузка») вначале в присутствии воздуха, а затем, после достижения необходимого карбонатного индекса, подачу воздуха прекращают и контактирование осуществляют без подачи дополнительного воздуха для удаления остаточного кислорода и нитратов. При осуществлении способа в одну стадию воду контактируют с одной и той же «загрузкой» в одном насадочном фильтре: вначале с воздухом, а затем без воздуха. При осуществлении способа в две стадии воду контактируют с «загрузкой» вначале в первом по ходу воды насадочном фильтре при дополнительной подаче воздуха, а затем без воздуха - с «загрузкой» во втором по ходу воды насадочном фильтре.

С тем, чтобы обеспечить возможность бактериям размножиться (культивироваться) в «загрузке» в количестве, необходимом для протекания реакции окисления серы до серной кислоты, с достаточной скоростью «загрузку» фильтра, содержащую небольшое количество влажной почвы или ила, «заражают» выделенной из почвы или ила культурой бактерий Thiobacillus thioparus и/или Thiobacillus denitrificans. Для чего через «загрузку» фильтра пропускают подлежащую обработке воду. Через 1-3 недели (˜20 суток) на загрузке размножаются тионовые бактерии в количестве, достаточном для окисления серы до серной кислоты, о чем свидетельствует снижение карбонатного индекса (или щелочности) обрабатываемой воды. Подготовленный фильтр работоспособен до полного превращения серы в серную кислоту.

Процесс подготовки воды осуществляют путем пропускания исходной воды через подготовленный фильтр до достижения необходимой величины карбонатного индекса воды на выходе из фильтра. Конкретная величина карбонатного индекса добавочной воды для тепловых сетей в зависимости от температуры воды допускается в пределах 0,5-4,0 (мг-экв/дм³)², а при условии последующей обработки воды ингибиторами коррозии (например, фосфонатами) допускается карбонатный индекс поддерживать на уровне 8,0 (мг-экв/дм³)² (3). В случае необходимости использования более высоких концентраций эффективных ингибиторов коррозии и/или в случае наличия более высоких температур конкретная величина карбонатного индекса может быть увеличена до 20 (мг-экв/дм³)², как это указано, например, в книге Ф.Ф.Чаусов, Г.А.Раевская «Комплексонный водно-химический режим теплоэнергетических систем низких параметров, R&C, Dynamico).

Использование тионовых бактерий Thiobacillus thioparus и/или Thiobacillus denitrificans в заявленном способе зависит от наличия или отсутствия соответствующих бактерий в «загрузке» и от наличия или отсутствия в воде нитратов и кислорода. Т.е. при наличии в «загрузке» только бактерий Thiobacillus thioparus и наличии в воде кислорода или при дополнительной подаче воздуха, процесс окисления серы до серной кислоты будет идти в присутствии бактерий Thiobacillus thioparus, а в случае наличия в «загрузке» только бактерий Thiobacillus denitrificans и наличия в воде нитратов процесс окисления серы до серной кислоты будет идти в присутствии бактерий Thiobacillus denitrificans.

При наличии в «загрузке» обоих видов бактерий и при наличии в воде кислорода и нитратов процесс будет идти с использованием обоих видов бактерий, а при наличии в воде кислорода или в случае дополнительной подачи воздуха и отсутствии в воде нитратов процесс будет идти с использованием только бактерий Thiobacillus thioparus, а в случае наличия в воде нитратов, но при отсутствии в воде кислорода и отсутствии дополнительной подачи воздуха процесс будет идти с использованием только бактерий Thiobacillus denitrificans.

О наличии бактерий в почве или иле судят на основании микробиологического анализа влажной почвы или ила.

Предлагаемый способ поясняется конкретными примерами осуществления способа №1-4. Причем пример №1 приведен на совместное использование бактерий, т.к. «загрузка» содержит оба вида бактерий, а в воде присутствуют кислород и нитраты; примеры №2 и №3 приведены на отдельное использование бактерий Thiobacillus thioparus, т.к. в воде отсутствуют нитраты, а пример №4 приведен на отдельное использование бактерий Thiobacillus denitrificans, т.к. в исходной воде присутствуют нитраты и отсутствует кислород.

Пример №1. Для практического осуществления способа используют насадочный фильтр, который предварительно загружают гранулированной элементной серой крупностью гранул 2-5 мм и небольшим количеством (0,5-10,0 кг/м³ серы) влажной почвы, взятой в непосредственной близости от открытого склада серы, содержащей тионовые бактерии рода Thiobacillus, в частности Thiobacillus thioparus и Thiobacillus denitrificans в количестве ˜ 1·10⁸ КОЕ/мл. Фильтр «заражают» выделенной из почвы культурой тионовых бактерий Thiobacillus thioparus и Thiobacillus denitrificans. Для чего через этот фильтр пропускают подлежащую обработке воду. Через 1-3 недели (˜20 суток) на «загрузке» развиваются тионовые бактерии рода Thiobacillus в количестве, достаточном для окисления серы до серной кислоты и обескислороживания воды.

Na-катионированную добавочную воду водогрейной котельни тепловой сети г. Одессы с содержанием растворенного кислорода 6 мг/дм³, нитратов 12 мг/дм³, щелочностью 4 мг-экв/дм³ пропускают снизу вверх через подготовленный фильтр с линейной скоростью 10 м/час.Обработку осуществляют при температуре 20°С в течение 10 минут. После обработки содержание в воде кислорода составляет 0,005 мг/дм³, нитратов 0,5 мг/дм³, щелочность 3,7 мг-экв/дм³.

Пример №2. Фильтр подготавливают к работе так же, как описано в примере №1. Добавочную воду с содержанием растворенного кислорода 6 мг/дм³, бикарбонатионов 4 мг-экв/дм³, ионов кальция 4 мг-экв/дм³ пропускают снизу вверх через подготовленный фильтр. В нижнюю часть фильтра дополнительно дозируют воздух в количестве, обеспечивающем нормативное снижение щелочности, рассчитанное исходя из предельного значения карбонатного индекса «Ик». В нашем случае первоначальная концентрация ионов кальция составляет 4 мг-экв/дм³, бикарбонат-ионов -4 мг-экв/дм³, «Ик» соответственно будет равен 4х4=16 (мг-экв/дм³)². Допустимый карбонатный индекс, равный 3 (мг-экв/дм³)². Отсюда остаточная щелочность равна 3:4=0,75 мг-экв/дм³. При достижении щелочности добавочной воды после фильтра, равной 0,75 мг-экв/дм³, подачу воздуха стабилизируют и обработку воды продолжают во втором таком же фильтре, где удаляют остаточный кислород. Остаточная щелочность обработанной воды составляет 0,5 мг-экв/дм³, остаточный кислород 0,005 мг/дм³. Обработанная вода соответствует нормам добавочной воды для тепловых сетей.

Пример №3. Фильтр подготавливают к работе так же, как описано в примере №1. Добавочную воду с содержанием растворенного кислорода 6 мг/дм³, бикарбонат-ионов 4 мг-экв/дм³, ионов кальция 4 мг-экв/дм³ обрабатывают аналогично примеру №2 до достижения карбонатного индекса, равного 8 (мг-экв/дм³)², что соответствует остаточной щелочности, равной 8:4=2 мг-экв/дм³. В обработанную воду вводят фосфонатный ингибитор отложений накипи на основе ОЭДФК в количестве 4 мг/дм³. После обработки вода полностью соответствует нормам добавочной воды для тепловых сетей.

Пример №4. Фильтр подготавливают к работе так же, как описано в примере №1. Добавочную артезианскую воду с содержанием бикарбонат-ионов 2,5 мг-экв/дм³, ионов кальция 9 мг-экв/дм³, (карбонатный индекс равен 2,5х9=22,5(мг-экв/дм³)²), нитратов 65 мг/дм3 обрабатывают аналогично примеру №1 до достижения карбонатного индекса, равного 16,0 (мг-экв/дм³)², что соответствует остаточной щелочности, равной 16:4=4 мг-экв/дм³. В обработанную воду вводят фосфонатный ингибитор отложений накипи на основе ОЭДФК в количестве 9-10 мг/дм³. После обработки вода полностью соответствует нормам добавочной воды для тепловых сетей.

Источники информации

1. Пособие по проектированию сооружений для очистки и подготовки воды (к СНИП 2.04.02-84), М., 1989 г., НИИ коммунального водоснабжения и очистки воды АКХ, Центральный институт типового проектирования, с.88-92.

2. RU, заявка №2000107673, С 02 F 1/62, 2002.05.27.

3. Водоподготовка и водно-химический режим тепловых сетей на ТЭЦ. Руководящие указания. Министерство энергетики и электрофикации Украины, ГКД 34.37.502-96, Киев 1995 г., с.8-10, 31, 11, 38.

1. Способ подготовки добавочной воды для тепловых сетей, включающий подкисление исходной воды и удаление из нее растворенного кислорода, отличающийся тем, что указанные стадии осуществляют совместно путем контактирования исходной воды с элементной серой в присутствии бактерий Thiobacillus thioparus и/или Thiobacillus denitrificans и процесс осуществляют при температуре 4-60°С и времени контакта 5-60 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс осуществляют при дополнительной подаче воздуха.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что подачу воздуха регулируют в зависимости от получения необходимого карбонатного индекса воды в пределах 0,5-20 (мг-экв/дм³)².