Физико-химические основы подготовки воды и топлива

Введение
Сточные воды - это коммунальные и промышленные стоки населенных мест (бытовые, производственные, дождевые из улиц, промышленных площадок, районов всех типов строений), используемые человеком и отведенные после пользования.
По происхождению сточные воды делятся на промышленные (очень разнообразны по спектру загрязнителей: например, сточные воды металлургических комбинатов содержат тяжелые металлы, нефтепродукты, взвеси и т.п., целлюлозно-бумажных производств - целлюлозные волокна, соли аммония, хлор, сульфаты и сульфиты и т.д.), сельскохозяйственные (образуются преимущественно на животноводческих фермах, у них высокое содержание органических соединений, взвешенных частиц, соединений азота и фосфора поступления их в водоемы чрезвычайно опасно для водных экосистем в результате токсичности аммиака, возможности эвтрофикации водоемов) и бытовые (содержат органические вещества, соединения азота, фосфора, поверхностно-активные вещества).
Промышленные сточные воды частично очищают в цеховых или заводских очистных сооружениях, а затем вместе с бытовыми их направляют на городскую станцию ​​водоочистки. К их качеству предъявляют определенные требования. Так, производственные сточные воды, принимаемых в городскую канализацию Киева, не должны превышать определенные предельные нормы по количеству сухого остатка, взвесь, сульфатов и сульфитов, хлоридов, жиров растительных и животных; и совсем не допускаются кислоты, токсичные вещества, масла, смолы, мазут, строительное, хозяйственное мусора, почва, абразивные материалы, радиоактивные вещества, эпидемиологически опасные бактериальные и вирусные загрязнители и тому подобное.
Классификация сточных вод ТЭС
Эксплуатация тепловых электрических станций связана с использованием большого количества воды. Основная часть воды (более 90%) расходуется в системах охлаждения различных аппаратов: конденсаторов турбин, масло и воздухоохладителей, движущихся механизмов и др.
Сточной водой является любой поток воды, выводимый из цикла электростанции.
К сточным, или сбросным, водам кроме вод систем охлаждения относятся: сбросные воды систем гидрозолоулавливания (ГЗУ), отработавшие растворы после химических промывок теплосилового оборудования или его консервации: регенерационные и шламовые воды от водоочистительных (водоподготовительных) установок: нефтезагрязненные стоки, растворы и суспензии, возникающие при обмывах наружных поверхностей нагрева, главным образом воздухоподогревателей и водяных экономайзеров котлов, сжигающих сернистый мазут.
Составы перечисленных стоков различны и определяются типом ТЭС и основного оборудования, ее мощностью, видом топлива, составом исходной воды, способом водоподготовки в основном производстве и, конечно, уровнем эксплуатации.
Воды после охлаждения конденсаторов турбин и воздухоохладителей несут, как правило, только так называемое тепловое загрязнение, так как их температура на 8...10° С превышает температуру воды в водоисточнике. В некоторых случаях охлаждающие воды могут вносить в природные водоемы и посторонние вещества. Это обусловлено тем, что в систему охлаждения включены также и маслоохладители, нарушение плотности которых может приводить к проникновению нефтепродуктов (масел) в охлаждающую воду. На мазутных ТЭС образуются сточные воды, содержащие мазут [5].
Масла могут попадать в сточные воды также из главного корпуса, гаражей, открытых распредустройств, маслохозяйств.
Количество вод систем охлаждения определяется в основном количеством отработавшего пара, поступающего в конденсаторы турбин. Следовательно, больше всего этих вод на конденсационных ТЭС (КЭС) и АЭС, где количество воды (т/ч), охлаждающей конденсаторы турбин, может быть найдено по формуле Q=KW где W мощность станции, МВт; К-коэффициент, для ТЭС К= 100...150: для АЭС 150...200.
На электростанциях, которые используют твердое топливо, обычно большое количество золы и шлака удаляется гидравлически, что требует большого количества воды. На теплоэлектростанции мощностью 4000 МВт, работающей на Экибастузском угле, сжигается до 4000 т / ч этого топлива и образуется приблизительно 1600 ... 1700 т / ч золы. Для сброса этого количества со станции требуется не менее 8000 м3 / ч воды. Поэтому основным направлением в этой области является создание роторных систем ГЗУ, когда очищенная вода, выделяемая из золы и шлака, направляется обратно на тепловые электростанции в систему ГЗУ.
Сточные воды ГЗУ значительно загрязнены взвешенными веществами, имеют повышенную минерализацию и, в большинстве случаев, повышенную щелочность. Кроме того, они могут содержать соединения фтора, мышьяка, ртути, ванадия.
Дренажи после химической мойки или консервации теплоэнергетического оборудования имеют очень разнообразный состав из-за обилия моющих растворов. Для промывки используются минеральные соляные кислоты, сульфиды, плавиковая, сульфаминовая, а также органические кислоты: лимонная, ортофильная, адипиновая, щавелевая, муравьиная, уксусная, наряду с ними трилон Б, различные ингибиторы коррозии, ПАВ, тиомочевина, гидразин аммиак.
В результате химических реакций органические и неорганические кислоты, щелочи, нитраты, соли аммония, железа, меди, трилона В, ингибиторы, гидразин, фтор, уротропин, каптакс и т. д. Могут сбрасываться во время мойки или консервации оборудования. требует индивидуального решения для нейтрализации и устранения токсичных отходов от химических стирок.
Вода от мытья наружных поверхностей нагрева образуется только на ТЭС, которые используют основное топливо с сернистым маслом. Следует иметь в виду, что нейтрализация этих моющих растворов сопровождается приемом шламов, содержащих ценные вещества, из соединений ванадия и никеля.
Во время операции очистки деминерализованной воды на ТЭС и АЭС появляются стоки от хранилища реагентов, промывка механических фильтров, удаление осадка из осветлителей и регенерация ионных фильтров. В этих водах содержится значительное количество солей кальция, магния, натрия, алюминия и железа. Например, на ТЭС с производительностью химической обработки воды 2000 т / ч соли выгружаются при 2,5 т / ч.
Нетоксичные осадки карбоната кальция, гидроксидов железа и алюминия, кремниевой кислоты, органических веществ, глинистых частиц выгружаются из предварительной обработки (механические фильтры и осветлители).
Наконец, на заводах, которые используют огнеупорные жидкости, такие как плющ или OMTI в системах смазки и регулировки паровых турбин, образуется небольшое количество сточных вод, загрязненных этим веществом.
Основным нормативным документом, устанавливающим систему охраны поверхностных вод, являются «Правила охраны поверхностных вод (типовое положение)» (М.: Госкомприроды, 1991 г.).
Влияние сточных вод ТЭС на природные водоемы
Природные водоемы представляют собой сложные экологические системы (экосистемы) существования биоценоза сообщества живых организмов (животных и растений). Эти системы были созданы в течение многих тысячелетий эволюции живого мира. Пруды - это не только коллекторы и хранилища воды, в которых вода является средней по качеству, но процессы изменения состава примесей постоянно приближаются к равновесию. Это может быть нарушено в результате деятельности человека, особенно сброса сточных вод с тепловых электростанций.
Живые организмы (гидробионты), которые живут в водоемах, тесно связаны с условиями жизни и, прежде всего, с ресурсами питания. Гидробионты играют главную роль в процессе самоочищения водоемов. Некоторые гидробионты (обычно растения) синтезируют органические вещества, используя неорганические соединения из окружающей среды, такие как CO2, NH3 и т

. д.
Другие водные организмы (обычно животные) поглощают готовое органическое вещество. Водоросли также минерализуют органическое вещество. В процессе фотосинтеза они выделяют кислород. Большая часть кислорода поступает в бак через аэрацию, когда вода вступает в контакт с воздухом.
Микроорганизмы (бактерии) интенсифицируют процесс минерализации органических веществ при их окислении кислородом.
Отклонение экосистемы от устойчивого состояния, вызванное, например, сбросом сточных вод, может привести к отравлению и даже гибели определенного вида (популяции) водных организмов, что приведет к цепной реакции торможения всего биоценоза. Отклонение от баланса усиливает процессы, приводящие пруд в оптимальное состояние, которые называются процессами самоочищения пруда. Наиболее важными из этих процессов являются следующие:
осаждение грубодисперсных и коагуляция коллоидных примесей;
окисление (минерализация) органических примесей;
окисление минеральных примесей кислорода;
нейтрализация кислот и оснований за счет буферной емкости воды водоема (щелочности), приводящая к изменению ее рН;
гидролиз ионов тяжелых металлов, приводящий к образованию их малорастворимых гидроокисей и выделению их из воды;
установление углекислотного равновесия (стабилизация) в воде, сопровождающееся или выделением твердой фазы (СаСО3), или переходом части ее в воду.
Процессы самоочищения водоемов зависят от гидробиологических и гидрохимических условий в них. Основными факторами, которые существенно влияют на водоемы, являются температура воды, минералогический состав примесей, концентрация кислорода, рН воды, концентрация вредных примесей, которые препятствуют или затрудняют процесс самоочищения водоемов.
Для гидробионтов наиболее благоприятным показателем является рН = 6,5 ... 8,5.
Поскольку выбросы из систем охлаждения оборудования ТЭС в основном вызывают «тепловое» загрязнение, следует иметь в виду, что температура оказывает сильное влияние на биоценоз в резервуаре. С одной стороны, температура оказывает непосредственное влияние на скорость химических реакций, а с другой - на скорость восстановления дефицита кислорода. С повышением температуры процессы размножения гидробиона ускоряются [3].
Это обычно увеличивает восприимчивость живых организмов к токсичным веществам с повышением температуры. Когда температура поднимается до + 30 ° C, рост водорослей уменьшается, это влияет на фауну, рыба становится неактивной и перестает кормиться. Кроме того, с повышением температуры растворимость кислорода в воде уменьшается.
Резкая разница в температуре, возникающая при сбросе нагретой воды в пруд, приводит к гибели рыб и представляет серьезную угрозу для рыбалки. Влияние сточных вод, температура которых на 6 ... 9 ° С выше, чем температура речной воды, вредно даже для рыб, адаптированных к летним температурам до + 25 ° С.
Среднемесячная температура воды в расчетном указателе емкости для бытового, питьевого и культурно-бытового водопользования летом после сброса нагретой воды не должна повышаться более чем на 3 ° C по сравнению с естественной среднемесячной температурой воды. на поверхности танка или ручья в течение самого теплого месяца года. В случае рыболовных резервуаров температура воды в летнем отстойном участке не должна повышаться более чем на 5 ° C по сравнению с естественной температурой на выходе. Среднемесячная температура воды в самый теплый месяц расчетного диапазона промысловых танков не должна превышать 28 ° С, а для холодноводных аквариумов (лосося и белой рыбы) она не должна превышать 20 ° С.
Предельно допустимой концентрацией (ПДК) вредного вещества в воде резервуара является его концентрация, которая при ежедневном воздействии на организм человека в течение длительного времени не вызывает патологических изменений и заболеваний, обнаруживаемых современными методами исследования, и не нарушает оптимум. биологический из танка.
Таблица 1
Вещество Для водоемов санитарно- бытового водопользования Для рыбохозяйствен- ных водоемов
Лимитирую-
щий показа- тель вред- ности ПДК
мг/дм3 Класс опасно- сти Лимитирую-
щий показа- тель вред- ности ПДК
мг/дм3
Аммиак NH3 санитарно- токсикологи-
ческий 2,0 3 токсикологи- ческий 0,05
Ванадий V5+ то же 0,1 3 то же 0,001
Гидразин N2H4 то же 0,01 2
Железо Fe2+ органолеп- тический
(цвет) 0,3 3 то же 0,005
Медь Cu2+ органолеп- тический
(привкус) 1,0 3 то же 0,001
Мышьяк As2+ санитарно- токсикологи-
ческий 0,05 2 то же 0,05
Никель Ni2+ то же 0,1 3 то же 0,01
Нитраты (по NO2-) то же 3,3 2 то же 0,08
Полиакриламид то же 2,0 2 то же 0,8
Ртуть то же 0,0005 1 то же отсут-
ствие
Свицец Pb2+ то же 0,03 2 то же 0,1
Формальдегид то же 0,05 2
Фтор F- то же 1,5 2 то же 0,05
Сульфаты (по SO4) органолеп- тический
(привкус) 500 4 санитарно- токсикологи-
ческий 100
Фенолы органолеп- тический
(запах) 0,001 4 токсикологи- ческий 0,001
Нефтьинефте- продукты органолеп-
тический (пленка) 0,3 4 рыбохозяй- ственный 0,05
Нефтяные продукты. Сточные воды, содержащие нефтепродукты, попадающие в водоемы, вызывают запах и вкус керосина в воде, образование пленки или масляных пятен на ее поверхности и тяжелые отложения нефти на дне водоемов. Пленка нефтепродуктов нарушает процесс газообмена и предотвращает попадание световых лучей в воду, загрязняя побережье и растительность побережья.
В результате биохимического окисления нефтепродукты, попавшие в водоем, постепенно разлагаются на диоксид углерода и воду. Однако этот процесс медленный и зависит от количества растворенного в воде кислорода, температуры воды и количества микроорганизмов в ней. Летом пленка нефтепродуктов разлагается на 50 ... 80% за 5 ... 7 дней, при температуре ниже + 10 ° С процесс разложения длится дольше, а при + 4 ° С разложение вообще не происходит,
Нижние отложения нефтепродуктов удаляются еще медленнее и становятся источником вторичного загрязнения воды.
Наличие нефтепродуктов в воде делает воду непригодной для питья. В частности, большой ущерб наносится рыбалке. Рыбы наиболее чувствительны к изменениям химического состава воды и попаданию в нее нефтепродуктов в эмбриональный период. Нефтепродукты, попадающие в аквариум, также приводят к гибели планктона, важного компонента пищевой базы рыб.
Водоплавающие птицы также страдают от загрязнения нефтью в прудах. Прежде всего, оперение и кожа птиц повреждены. С глубоким поражением птицы погибают.
Кислоты и щелочи. Кислые и щелочные воды изменяют значение pH воды в резервуаре в зоне их сброса. Изменение рН отрицательно влияет на флору и фауну водоема, нарушает биохимические процессы и физиологические функции рыб и других живых организмов[4]. По мере увеличения щелочности воды, т.е. рН9,5, кожа, плавники и жаберная ткань разрушаются у рыб, водные растения блокируются, а самоочищение аквариума ухудшается. При снижении показателя, то есть pHg $ 5, неорганические (сульфиды, соляная, азотная) и органические (уксусная, молочная, винная и др.) Кислоты оказывают токсическое воздействие на рыбу.
Соединения ванадия обладают способностью накапливаться в организме. Они представляют собой яды с очень разнообразным воздействием на организм и могут вызывать изменения в органах кровообращения, дыхания, нервной системы: они приводят к нарушениям обмена веществ и аллергическим поражениям кожи.
Соединения железа. Растворимые соли железа, образующиеся в результате кислотного воздействия на металл термического энергетического оборудования, при нейтрализации кислотными щелочными растворами переходят в гидрат оксида железа, который осаждается и может откладываться на рыбных жабрах