Обеззараживание воды низкоконцентрированным гипохлоритом натрия на водопроводных станциях Санкт-Петербурга

Аннотация

На двух самых крупных водопроводных станциях Санкт-Петербурга, Южной и Северной, внедрен способ обеззараживания воды гипохлоритом натрия, получаемым на месте применения из раствора поваренной соли методом электролиза. Использование гипохлорита натрия низкой концентрации позволяет избежать необходимости транспортировки и длительного хранения готового раствора. Внедренная технология позволила значительно минимизировать опасность, существовавшую при использовании сжиженного хлора, а также снизить производственные расходы по сравнению с высококонцентрированными растворами гипохлорита натрия.

Ключевые слова:

обеззараживание , гипохлорит натрия , низкоконцентрированный раствор , электролиз , поваренная соль , умягченная вода , автоматизация процесса

Скачать статью в журнальной верстке PDF

В настоящее время перспективным методом обеззараживания воды является хлорирование с использованием электролитического гипохлорита натрия, получаемого на месте потребления путем электролиза растворов хлоридов. Сохраняя все достоинства метода хлорирования с применением жидкого хлора, обеззараживание электролитическим гипохлоритом натрия позволяет избежать основных трудностей – транспортирования и хранения токсичного газа [1; 2].

Способ получения дезинфицирующих низкоконцентрированных растворов электролитического гипохлорита натрия путем электролиза водного раствора хлорида натрия (NaCl) и его взаимодействия со щелочью в одном и том же аппарате – электролизере [1] – является наиболее дешевым, простым и безопасным. Использование низкоконцентрированных растворов гипохлорита натрия повышает безопасность производственного процесса обеззараживания воды на водопроводных станциях по сравнению с жидким хлором и высококонцентрированным раствором гипохлорита натрия [1; 3]. По результатам сравнительного анализа вариантов использования высоко- и низкоконцентрированных растворов гипохлорита натрия для обеззараживания воды, а также учитывая риски и затраты при организации перевозок концентрированных растворов гипохлорита натрия для обеспечения двух крупнейших водопроводных станций Санкт-Петербурга (Южной и Северной), руководством ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» было принято решение о создании на этих станциях производства низкоконцентрированного реагента электролизным способом из хлористого натрия (поваренной соли).

На Южной (2006 г.) и Северной (2008 г.) водопроводных станциях были построены и введены в эксплуатацию цеха по производству низкоконцентрированного гипохлорита натрия. Технологический процесс производства реагента на обеих водопроводных станциях принципиально одинаков, основные технические характеристики производственных цехов представлены в таблице.

Оборудование цеха состоит из функциональных узлов: для подготовки рабочего 3-процентного раствора поваренной соли (две линии), для производства (восемь электролизеров NT 40000, из них два резервные) и для хранения гипохлорита натрия (два резервуара объемом по 400 м³). Технологическая схема производства представлена на рис. 1, а общий вид цехов – на рис. 2.

В состав оборудования каждого цеха входят:
реагентное хозяйство для приготовления рабочего раствора поваренной соли;
устройства для перемешивания раствора;
насосы для перекачки раствора;
электролизеры для получения гипохлорита натрия;
шкафы управления электролизерами и другим оборудованием;
баки хранения гипохлорита натрия;
насосы для подачи гипохлорита натрия к узлам дозирования реагента в обрабатываемую воду (расположены на блоках сооружений Южной водопроводной станции);
система технологических трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой;
система отопления и вентиляции;
система отсоса, разбавления и выброса в атмосферу («на свечу») водорода, образующегося в процессе электролиза;
система электроснабжения электролизеров;
система учета расхода воды, электроэнергии, поваренной соли, произведенного гипохлорита натрия, концентрации выбрасываемого водорода с приборами контроля указанных параметров;
система контроля воздушной среды в помещениях электролизной и резервуаров-накопителей гипохлорита натрия;
система автоматизированного управления технологическим процессом.

Гипохлорит натрия получают электролизом рабочего раствора поваренной соли в электролизерах. Каждый аппарат содержит одну или несколько электролизных ячеек, обслуживаемых общим источником питания.

При электролизе раствора хлорида натрия происходят следующие реакции:

на катоде

Поскольку процесс окисления гипохлорита натрия с последующим образованием хлоритов и хлоратов замедляется при понижении температуры, электролиз проводят при относительно низких температурах рабочего раствора соли (20–25 С).

Технологический процесс производства гипохлорита натрия включает следующие операции.

Приготовление умягченной воды. Сырьем для установки ионообменного умягчения является водопроводная вода (давление 2,5–5 бар), поступающая из сети внутреннего водопровода. Производительность установки составляет 40 м³/ч. В установке (рис. 3) используются катионообменные смолы производства фирмы «Rohm & Hass» в объеме 1,4 м³. Регенерация катионита осуществляется насыщенными растворами хлорида натрия один раз в сутки в автоматическом режиме, расход хлорида натрия – 0,6 кг/т обрабатываемой воды.

Приготовление насыщенного раствора поваренной соли. В специальные емкости – сатураторы (производство компании «Forbes») из усиленной стекловолокном и устойчивой к коррозии пластмассы (рис. 4) через загрузочное устройство засыпается до 70 т соли. Залитая умягченная вода, проходя через солевой слой, образует насыщенный раствор поваренной соли (рассол). Резервуары (рис. 5), установленные на ровном бетонном полу, оборудованы гравийными фильтрами (два слоя гравия), трубопроводами, окнами, отверстиями, также предусмотрены места стыковки. Для очистки концентрированного раствора соли используются гравийные фильтры грубой очистки и сменные полипропиленовые картриджные фильтры тонкой очистки с пропускной способностью 5 мкм.

Приготовление рабочего раствора соли. Насыщенный раствор поваренной соли насосом подается в смеситель, где происходит разбавление умягченной водопроводной водой до рабочей концентрации (по СанПиН 2.1.4.1074-01), и далее – в электролизер.

Хранение гипохлорита натрия. Образующийся в электролизерах гипохлорит натрия хранится в двух резервуарах из эмалированной стали объемом по 400 м³, что обеспечивает трехсуточный запас для нужд очистных сооружений водопроводной станции. Из емкостей гипохлорит натрия по системе трубопроводов поступает на автоматическую станцию дозирования в обрабатываемую воду.

Основной процесс получения гипохлорита натрия электролизом проводится в установках, состоящих из трех электролизных ванн и теплообменника. В электролизных ваннах титановые электроды покрыты диоксидами рутения и иридия. Гарантийный срок эксплуатации электродов – 5 лет, срок службы электролизеров – 15 лет. Производительность одного электролизера – 5 т/ч гипохлорита натрия, или 40 кг-экв/ч по активному хлору. В процессе электролиза на электродах происходит отложение кальция и магния, поэтому периодически, по мере образования этих отложений, производится промывка электролизеров в закрытом контуре 4-процентным раствором соляной кислоты. В электролизере происходит непрерывный электролиз рабочего раствора соли, в результате чего получают гипохлорит натрия.

Гипохлорит натрия с концентрацией не менее 8 г/л по активному хлору поступает в резервуар-накопитель, откуда насосами подается к узлам дозирования, расположенным вблизи точек ввода реагента. Ввод гипохлорита натрия в обрабатываемую воду производится насосами-дозаторами из расходных баков узлов дозирования.

Количество гипохлорита натрия G_т, кг, образующегося приэлектролизе, определяется в соответствии с законом Фарадея по формуле:

G_m = AInt/1000,

где A – электрохимический эквивалент, г/(А·ч); I – полная сила тока на электролизер, А; n – количество работающих анодов; t – продолжительность работы электролизера, ч.

Удельные затраты электроэнергии W_уд, кВт·ч/кг, определяются по формуле:

Плотность тока на электродах ОРТА составляет не более 1000 А/м², а напряжение U₀ 5 В при концентрации хлоридов в рабочем растворе 30–35 г/л. При снижении концентрации хлоридов до 7–15 г/л плотность тока не превышает 700 А/м² при рабочем напряжении U₀ = 6–7 В.

Насыщенный раствор поваренной соли и умягченная вода из ионообменной установки хранятся в четырех отдельных резервуарах промежуточного хранения объемом по 30 м³ (рис. 6). При помощи насоса и восьми датчиков объема потока подготовленный рабочий раствор перекачивается с постоянным объемным расходом в восемь электролизеров для производства гипохлорита натрия.

Управление оборудованием осуществляется при помощи централизованной системы управления PLC. В случае отказа централизованной системы каждый функциональный узел может приводиться в действие вручную. В производственных помещениях, расположенных в отдельно стоящем здании, размещены расходный склад соли, электролизная, склад готового продукта и насосы для его транспортировки к узлам дозирования. Подача гипохлорита натрия производится раздельно к каждому блоку сооружений соответствующей водопроводной станции по специальной системе трубопроводов. Дозирование гипохлорита натрия в обрабатываемую воду осуществляется через специальные узлы, включающие резервуары для хранения перекачиваемого продукта и автоматические насосы-дозаторы.

Закрытый склад соли (рис. 7) рассчитан на хранение 15-суточного запаса реагента. Для проведения погрузочно-разгрузочных работ предусмотрены автопогрузчик и два электроштабелера.

Под давлением воды в водопроводной сети умягченная вода из ионообменных фильтров транспортируется в резервуар-накопитель и сатуратор.

Электролизер NT 40000 (рис. 8) состоит их восьми реакторов NT 5000, которые смонтированы в два ряда – один над другим. Четыре реактора NT 5000 включены последовательно, т. е. 3-процентный раствор NaCl с постоянным объемным расходом 2,5 м³/ч протекает через четыре установки NT 5000 до достижения желаемой концентрации NaOCl (0,8%). В теплообменниках летом охлаждают электролит (водопроводной водой), а зимой предварительно нагревают рабочий раствор соли (с помощью уже разогретого после реакции гипохлорита натрия из трех включаемых последовательно реакторов NT 5000). Температура раствора контролируется датчиками на каждом входе и выходе реактора.

Процесс электролиза требует оптимального диапазона температур 3-процентного раствора соли – от 10 до 34 С. При более низких температурах концентрация гипохлорита натрия снижается, при слишком высоких – могут образовываться нежелательные побочные продукты. Для поддержания оптимальной температуры процесса электролиза каждый электролизер NT 40000 имеет два титановых теплообменника. Резервуар-накопитель для гипохлорита натрия предназначен для промежуточного хранения 0,8-процентного раствора и отвода побочных продуктов (водорода). Раствор поступает в резервуары-накопители самотеком из восьми электролизеров NT 40000. Каждые четыре электролизера NT 40000 образуют группу, соединенную с резервуаром-накопителем посредством трубопровода.

Управление оборудованием цеха осуществляется в круглосуточном режиме двумя инженерами с местного диспетчерского пункта. Эксплуатационный персонал проводит также техническое обслуживание оборудования. Весь процесс производства полностью автоматизирован, за исключением операций по разгрузке и засыпке поваренной соли. Данные операции механизированы. Оборудование цеха дублируется (две независимые линии производства – основная и резервная), поэтому остановка или ремонт того или иного элемента не вызывает остановки всего цеха. В случае незапланированной остановки какого-либо элемента оборудования на местный диспетчерский пункт поступают звуковой и световой сигналы, а на мониторе высвечивается наименование неисправности.

Автоматизация производства позволяет обеспечить его безопасность. В помещениях установлены газоанализаторы водорода, сигналы от которых в непрерывном режиме поступают на местный диспетчерский пункт, станция газоанализа снабжена световой и звуковой сигнализацией. В случае утечки водорода и повышении его концентрации в атмосферном воздухе до 1% оборудование автоматически останавливается за исключением воздуходувных агрегатов, предназначенных для удаления остаточного водорода из трубопроводов, сепараторов и емкостей хранения низкоконцентрированых растворов гипохлорита натрия.

Сырьем для производства низкоконцентрированых растворов гипохлорита натрия служит пищевая поваренная соль высшего сорта или «Экстра». Удельный расход соли составляет 3–3,2 кг/кг-экв по активному хлору, затраты электроэнергии – 5 кВт/кг-экв по активному хлору.

Выводы

Использование низкоконцентрированных растворов гипохлорита натрия позволяет повысить безопасность технологических процессов очистки воды на водопроводных станциях Санкт-Петербурга. Сырьем для производства гипохлорита натрия служит поваренная соль. Поскольку реагент используется непосредственно на месте получения, отпадает необходимость транспортировки. Сочетание обеззараживания обрабатываемой воды низкоконцентрированным гипохлоритом натрия (первая ступень) с ультрафиолетовым облучением перед подачей в городскую водопроводную сеть (вторая ступень) гарантирует полное соответствие качества воды по микробиологическим показателям действующим нормативам и ее высокую эпидемиологическую безопасность [4].

Список литературы

Селезнев Г. М., Лыков С. М., Буракова Ю. В. и др. Новые технологии и оборудование для дезинфекции воды – альтернатива хлору // Безопасность труда в промышленности. 2007. № 2.
Тимофеев А. Ф., Ягуд Б. Ю. Техника безопасности при хранении, транспортировании и применении хлора. – М., 1996.
Григорьев А. Б., Расс Р. Сравнительная оценка высоко- и низкоконцентрированного гипохлорита натрия для дезинфекции питьевых вод // Водоснабжение и сан. техника. 2006. № 10.
Кинебас А. К. Внедрение обеззараживания воды гипохлоритом натрия и ультрафиолетовым облучением в системах водоснабжения и водоотведения Санкт-Петербурга // Водоснабжение и сан. техника. 2005. № 12, ч. 1.