Основные проблемы сточных вод в энергетике

Эксплуатация современных тепловых электрических станций сопряжена с появлением ряда жидких отходов сточных вод. К ним относятся воды после охлаждения различных аппаратов - конденсаторов турбин, масло- и воздухоохладителей, движущихся механизмов и пр.; сбросные воды из систем гидрозолоудаления (ГЗУ); отработавшие растворы после химических очисток теплосилового оборудования или его консервации; регенерационные и шламовые воды от водоочистительных установок; нефтезагрязнённые стоки; растворы, возникающие при обмывках наружных поверхностей нагрева главным образом воздухоподогревателей и водяных экономайзеров котлоагрегатов, работающих на сернистом мазуте. Составы всех этих стоков и их количества весьма различны; они определяются типом ТЭС и установленного на ней оборудования, её мощностью, видом используемого топлива, составом исходной воды, принятым способом водоподготовки в основном производстве и другими менее существенными обстоятельствами. За последние годы в энергетике проведена значительная работа по уменьшению количества сточных вод, содержания в них различных загрязнений и по созданию оборотных систем водопользования. Намечены пути создания полностью бессточных ТЭС, что требует решения ряда сложных технических и организационных задач, а также определенных капиталовложений.

Создание ТЭС, не загрязняющих природные водоемы, возможно двумя путями - глубокой очисткой всех стоков до предельно допустимых концентраций (ПДК) или организацией систем повторного использования стоков. Первый путь неперспективен, так как органы охраны водоёмов непрерывно повышают требования к степени очистки сбрасываемых производственными предприятиями вод. Так, несколько лет назад очистка стоков от нефтепродуктов до остаточного содержания 0,3 мг/л считалась достаточной. Позже была принята в качестве предельно допустимой концентрация 0,1 мг/л. Ныне эта норма снижена до 0,05 мг/л, и не исключено, что для рыбохозяйственных водоемов произойдет дальнейшее её сокращение. Надо также иметь в виду, что применение в технологии водообработки новых материалов и реагентов потребует и для них установления ПДК. Повышение же глубины очистки стоков потребует значительного увеличения затрат как на сооружение соответствующих установок, так и на их эксплуатацию. Все эти обстоятельства делают первый путь весьма мало перспективным. Более реален второй путь создание оборотных систем с многократным использованием воды. При этом глубокой очистки стоков уже не требуется, достаточно довести их качество до уровня, приемлемого для осуществления соответствующих технологических процессов. Такой путь даёт существенное сокращение водопотребления, т. е. резко уменьшается то количество воды, которое предприятие забирает из водоисточника. Кроме того, при таком подходе резко сокращается число вопросов, подлежащих согласованию с органами, контролирующими качество стоков. Именно поэтому пути и идёт разработка бессточных ТЭС.

Количество вод, образующихся после охлаждения аппаратуры, определяется в основном количеством отработавшего пара, поступающего в конденсаторы турбин. 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. Однако 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.

Наиболее надежным направлением решения этой задачи является выделение охлаждения таких аппаратов, как маслоохладители и им подобные, в особую автономную систему, отделенную от системы охлаждения «чистых» аппаратов.

На ТЭС, использующих твердое топливо, удаление значительных количеств золы и шлака выполняется обычно гидравлическим способом, что требует большого количества воды. Так, ТЭС мощностью 2400 МВт, работающая на экибастузских углях, сжигает до 2500 т/ч этого топлива, при этом образуется до 1000 т/ч золы и шлака. Для эвакуации этого количества со станции на золошлаковые поля требуется не менее 5000 м³/ч воды. Поэтому основным направлением в этой области является создание оборотной системы ГЗУ, когда освободившаяся от частичек золы и шлака осветленная вода вновь направляется по обратному трубопроводу на ТЭС для выполнения той же функции. Часть воды при этом обороте выходит из системы, так как задерживается в порах осевшей золы, вступает в химические соединения с компонентами этой золы, а также испаряется и в некоторых случаях просачивается в грунт. В то же время в систему происходит и поступление воды за счет главным образом атмосферных осадков. Поэтому важнейшим вопросом при создании оборотных систем ГЗУ является обеспечение баланса между поступлением и расходом воды, что необходимо учитывать в различных технологических процессах, в том числе в золоулавливании. Например, при использовании мокрых золоуловителей главную роль в решении этой задачи играет организация их питания осветленной водой. Отсутствие же сбалансированности создает необходимость систематического сброса части воды из системы ГЗУ.

Необходимость создания оборотных систем ГЗУ обусловлена также тем, что такие воды содержат в ряде случаев повышенную концентрацию фторидов, мышьяка, ванадия, реже ртути и германия (донецкие угли) и некоторых других элементов, обладающих вредными свойствами. Воды ГЗУ также часто содержат канцерогенные органические соединения, фенолы и т. п.

Стоки после химической промывки или консервации теплосилового оборудования весьма разнообразны по своему составу вследствие обилия рецептов промывочных растворов. Кроме минеральных кислот - соляной, серной, плавиковой, сульфаминовой, применяется много органических кислот (лимонная, ортофталевая, адипиновая, щавелевая, муравьиная, уксусная и т. д.). Наряду с ними используются трилон и различные смеси кислот, являющиеся отходами производств, а в качестве ингибиторов коррозии вводятся каптакс, поверхностно-активные вещества, сульфированные нафтеновые кислоты и т. д. Для связывания в комплекс меди в промывочные смеси вводится тиомочевина. Консервационные растворы содержат гидразин, нитриты, аммиак.

Большинство органических соединений, применяемых в промывочных растворах, поддается биологической переработке и, следовательно, может быть направлено вместе с хозяйственно-бытовыми сточными водами на соответствующие установки. Перед этим необходимо удалить из отработавших промывочных и консервационных растворов токсичные вещества, пагубно действующие на активную микрофлору. К таким веществам относятся ноны металлов - меди, цинка, никеля, железа, а также гидразин и каптакс. Трилон относится к биологически «жестким» соединениям, к тому же он подавляет активность биологических факторов, но в форме кальциевых комплексов допустим в довольно высоких концентрациях в стоках, направляемых на биологическую переработку. Все эти условия диктуют определенную технологию переработки стоков от химической очистки оборудования. Они должны быть собраны в ёмкость, в которой осуществляется нейтрализация кислотной смеси, причём происходит осаждение гидратов окисей железа, меди, цинка, никеля и т. д. Если для очистки применялся трилон, то при нейтрализации может быть осаждено только железо, комплексы же меди, цинка и никеля не разрушаются даже при высоких значениях рН. Поэтому для разрушения этих прочных комплексов применяют осаждение металлов в виде сульфидов, вводя в жидкость сернистый натрий.

Осаждение сульфидов или гидратов окисей происходит медленно, поэтому после добавления реагентов выдерживают жидкость в течение нескольких суток. За это время совершается также полное окисление гидразина кислородом воздуха. Затем прозрачную жидкость, содержащую только органические вещества и избыток реагентов-осадителей, постепенно откачивают в магистраль хозяйственно-бытовых стоков.

Освободившуюся емкость заполняют стоками от следующей промывки и повторяют операцию осаждения. Накопившиеся после нескольких очисток осадки эвакуируют; эти осадки часто содержат значительное количество ценных металлов, которые могут быть извлечены металлургами. В тех случаях, когда ТЭС расположена в отдалении от поселений, имеющих устройства для биологической переработки хозяйственно-бытовых сточных вод, осветленная жидкость может быть направлена для полива участков или в систему замкнутого охлаждения в качестве добавочной воды. На ТЭС, располагающих гидрозолоудалением, стоки после химических очисток оборудования, часто даже без предварительного осаждения металлов (железа, меди, цинка и др.), могут быть сброшены в пульпопровод. Измельченные частички золы обладают высокой абсорбционной способностью по отношению к примесям отработавших растворов после химических очисток оборудования.

Воды от обмывки наружных поверхностей нагрева образуются только на ТЭС, использующих в качестве основного топлива сернистые мазуты. Зольные элементы, образующиеся при сгорании мазута, обладают большой липучестью и оседают преимущественно на поверхности элементов воздухоподогревателей, которые вследствие этого приходится регулярно очищать. Периодически очистка совершается путем обмывок; их результатом является обмывочная жидкость, содержавшая свободную серную кислоту и сульфаты железа, ванадия, никеля, меди и натрия. В качестве незначительной примеси в этой жидкости присутствуют и другие металлы.

Обезвреживание этих обмывочных растворов сопровождается получением шламов, содержащих ценные вещества - ванадий, никель и т. д.

При эксплуатации водоочисток на электростанциях возникают стоки от промывок механических фильтров, от удаления шламовых вод осветлителей и в результате регенерации катионитных и анионитных материалов.

Промывочные воды содержат только нетоксичные осадки - карбонат кальция, гидроокиси магния, железа и алюминия, кремнекислоту, органические, преимущественно гуминовые вещества, глинистые частицы. Поскольку все эти примеси не обладают токсичным свойством, то эти стоки могут быть сброшены после отделения шлама в водоёмы. На современных ТЭС эти воды после некоторого осветления возвращают на водоочистку, а именно - в головную её часть.

Регенерационные стоки содержат в растворе значительное количество солей кальция, магния и натрия.

С целью уменьшения соленых сбросов от химводоочисток предлагаются различные способы предварительной обработки воды, поступающей на водоочистку. Например, на электродиализных установках или на установках обратного осмоса минерализация исходной воды может быть несколько уменьшена. Однако количество соленых стоков и при этих способах остается значительным, так как во всех случаях отбирается чистая вода, а соли, в ней содержавшиеся, возвращаются в водоём с тем или иным количеством реагентов.

Предлагается замена химического обессоливания испарителями или применение их для выпаривания соленых стоков. Установка испарителей взамен химобессоливания возможна на чисто конденсационных ТЭС, но весьма обременительна на ТЭЦ с большой отдачей пара производственным его потребителям. Выпаривание же соленых стоков, очевидно, не решает задачу их удаления, а только сокращает объёмы объектов, подлежащих эвакуации.

Несколько более привлекательной представляется следующая схема переработки стоков: после смешивания кислых (от Н-катионита) и щелочных (от анионита) стоков проводится обработка их известью и содой для осаждения ионов кальция и магния. Раствор после отделения от образовавшихся осадков содержит только соли натрия, хлориды и сульфаты. Этот раствор подвергают электролизу, получая при этом кислые и щелочные растворы. Они направляются взамен привозных кислот и щелочей на регенерацию соответствующих фильтров. Расчёты показывают, что таким способом количество избыточных солей может быть уменьшено в несколько раз.