Федеральное агентство морского и речного транспорта РФ

Г. И. Тихомиров
Технологии обработки воды
на морских судах
Федеральное агентство морского и речного транспорта РФ
Федеральное бюджетное образовательное учреждение
«Морской государственный университет им. адм. Г. И. Невельского»
(ФБОУ МГУ)
Тихомиров Г. И.
ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
НА МОРСКИХ СУДАХ
Курс лекций
Рекомендовано методическим советом ФБОУ МГУ
в качестве учебного пособия для обучающихся
по специальности 180405.65 – «Эксплуатация
судовых энергетических установок»
Владивосток
2013
2
УДК 621.187.11:543.3.08
Тихомиров Г. И. Технологии обработки воды на морских судах. Курс лекций: Учеб. пособие для курсантов и студентов морских специальностей. – Владивосток.: Мор. гос. ун-т, 2013. – 159 с.
В учебное пособие вошли основные разделы лекционного курса специальной дисциплины «Технологии обработки воды на морских судах», знание которых является обязательным при подготовке инженера-судомеханика или вахтенного механика третьего разряда по специальности 180403.65 – «Эксплуатация судовых энергетических установок».
Для обеспечения безопасности технической эксплуатации судовых энергетических установок и жизнедеятельности на морских суднах обучающиеся в
процессе изучения представленной информации должны приобрести знания по
современным технологиям очистки (обработки) воды на морских судах, как для
технических целей, так и хозяйственно-питьевых. Они должны знать основы
технической эксплуатации оборудования для обработки технической воды, а
также систем водоснабжения и водоотведения морских судов с учётом требований Международной конвенции по предотвращению загрязнения моря с судов (МАРПОЛ 73/78), оговоренных резолюциями Международной морской организации (ИМО).
Ил. 56, табл. 9.
Рецензенты:
Б. Я. Карастелев, д-р. техн. наук, профессор,
Дальневосточный федеральный университет
А. Ю. Чириков, ведущий технолог,
Институт химии ДВО РАН
© Тихомиров Г. И., 2013
© Морской государственный университет
имени адмирала Г. И. Невельского, 2013
3
ВВЕДЕНИЕ
Специальная дисциплина «Технологии обработки воды на морских судах»
является составной частью курса «Технология использования топлива, воды и
смазки на судах», как профилирующего курса для обучающихся по судомеханическим специальностям высших морских учебных заведений. В процессе её
изучения обучающиеся в ФГОУ ВПО «Морской государственный университет
им. адм. Г. И. Невельского» (далее ФГОУ МГУ) должны приобрести знания по
современным технологиям обработки воды для судовых энергетических установок (СЭУ) и вспомогательного энергетического оборудования (ВЭО), а также
для общесудовых систем водоснабжения и водоотведения. В период выполнения лабораторного практикума они должны получить навыки по технической
эксплуатации судового оборудования для очистки льяльных вод с учётом требований Международной конвенции по предотвращению загрязнения моря с
судов (МАРПОЛ 73/78), оговоренных Резолюцией Международной морской
организации (ИМО) МЕРС 107(49).
В природе не существует химически чистой воды, поэтому в естественных
условиях она всегда содержат определённое количество растворённых газов и
минералов, а также содержат различные механические примеси и продукты
коррозии металлов, находящиеся во взвешенном состоянии, которые не позволяют использовать её для технических целей. Так, например, для паровых котлов высокого давления питательная вода должна быть в 100 раз чище дистиллированной, которую применяют в аптеках. Недооценка проблемы водоподготовки для котельных агрегатов может привести к тяжёлым последствиям, даже
с летальным исходом для обслуживающего персонала.
Комплекс технологических мероприятий по подготовке воды как вещества для использования её в качестве технической, питьевой или мытьевой
называется водоподготовкой или водообработкой. При этом водоподготовка
может быть реагентной, если она предполагает использование химических
реагентов, или безреагентной, если таковые отсутствуют. Она может быть, например, для котельных установок докотловой, когда морская вода перед использованием в паровом котле предварительно опресняется в судовой испарительной установке, или внутрикотловой, когда химические реагенты вводятся
в объем котловой воды и создают в нём необходимый водный режим, отвечающий правилам технической эксплуатации этого энергетического объекта.
Совершенствование технической эксплуатации СЭУ невозможно без знаний
о структуре и свойствах жидкой воды, а также современных технологий её обработки воды как вещества, которое является одним из основных объектов познания человека, определяющего надежность и безопасность жизнедеятельности на планете Земля. Так, например, вода, обладая аномально большой теплоёмкостью, является основным теплоносителем в различных теплоэнергетических объектах. Поэтому каждый инженер-судомеханик должен знать и уметь
определять основные показатели её качества, в совершенстве знать и корректировать технологии водообработки в соответствии с инструкциями по технической эксплуатации теплоэнергетических объектов.
4
Вода и её растворы являются неотъемлемой частью жизнедеятельности человека на море. При судоходстве сброс за борт судна неочищенных, например,
нефтесодержащих вод, кислотных или щелочных водных растворов от объектов хозяйственно-бытового назначения может оказывать вредное воздействие
на экологическое состояние морской среды. Поэтому проблемы водоподготовки для СЭУ и очистки сточных вод на судне всегда требуют пристального внимания и контроля.
Процессу нагрева воды при генерации водяного пара неизбежно сопутствуют накипеобразование, коррозия металла поверхности нагрева и унос солей с
кипящей водой и паром, поэтому качество выбранной технологии водоподготовки для СЭУ, например, с паротурбинной установкой определяет эффективность теплообмена и надёжность котельного оборудования. От этого зависит
рентабельность морского транспорта в целом, т. к. более 60% эксплуатационных расходов судна составляют расходы на топливо.
Программа дисциплины «Технологии обработки воды на морских судах»
базируется на знаниях, полученных при изучении общей и технической химии,
физики, термодинамики, тепло- и массообмена, гидравлики и гидромеханики,
технологии материалов, а также специальных дисциплин, таких как: судовых
котельных, турбинных и дизельных установок, вспомогательного энергетического оборудования и судовых систем.
При изучении дисциплины нельзя ограничиваться рассмотрением инструктивных рецептов или частных технологий, изложенных в заводских инструкциях или рекомендациях фирм-изготовителей соответствующих химических препаратов. Поэтому каждая тема дисциплины предусматривает изучение теоретических разделов, например, метастабильной структуры и аномальных свойств
жидкой воды, процессов гидратации и кристаллизации в воде накипеобразующих веществ, растворимости коррозионно-активных газов и коррозии металлов
в водных растворах слабых электролитов.
1. Содержание дисциплины
На морском транспорте вода как рабочее вещество используется при производстве водяного пара, который в свою очередь используется в СЭУ для привода в действие паровых двигателей или для подогрева топлива для СЭУ паротурбинных установок (ПТУ), газотурбинных установок (ГТУ) или судовых
двигателей внутреннего сгорания (СДВС). Вода, обладая большой теплоемкостью, незаменима как теплоноситель для охлаждения СДВС и конденсаторов
ПТУ, а также передачи теплоты в различных теплообменных аппаратах. Поэтому инженеру-судомеханику необходимо знать принципиальные схемы, конструкции и принципы действия судового оборудования, чтобы представлять
себе и понимать источники загрязнения воды на судне в зависимости от назначения технического объекта.
Содержание дисциплины «Технология обработки воды на судах» включает
следующие темы:
1. Технологии обработки воды для судовых энергетических установок:
5
• технологии обработки воды для паропроизводящих установок низкого,
среднего и высокого давления;
• водные режимы судовых испарительных установок;
• технологии обработки воды для систем охлаждения СДВС.
2. Технологии обработки воды для общесудовых систем водоснабжения и
водоотведения;
• технологии обработки воды для систем независимого водоснабжения
(горячего и холодного, питьевой и мытьевой воды) морских судов;
• технологии очистки сточных вод хозяйственно-бытового назначения;
• технологии очистки и обеззараживания изолированного балласта;
• технологии обработки судовых сточных нефтесодержащих вод.
Все темы дисциплины направлены на совершенствование технической эксплуатации современного судового оборудования, получившего распространение на морском транспорте, на повышение его надежности, рентабельности и
безопасности обслуживания.
2. Технологии обработки воды судовых энергетических установок
Химический состав примесей природной воды определяется обычно ионами
Са , Mg2+, Na+, SO42 –, Cl –, HCO3–, HSiO3–.
Катионы кальция (Са2+) являются доминирующими для слабоминерализованных вод рек и озёр. Источником загрязнения природных вод кальцием является их контакт при омывании залежей минералов и растворение в них известняка (СаСО3) и гипса (СаSO4·2H2O). Катионы магния (Mg2+) поступают в природную воду при растворении в ней доломитов (MgCO3·CaСО3). С ростом минерализации воды относительное количество ионов кальция уменьшается по
сравнению с ионами магния, т. к. соли последнего имеют лучшую растворимость. В сильно минерализованных водах соленых озер, морей и океанов преобладают ионы натрия (Na+). Горький привкус морской воды из-за присутствия
в ней солей сернокислого магния (MgSO4) делает её непригодной для питьевых
целей, поэтому организм человека её отторгает.
Ионы хлора (Cl –) присутствуют почти во всех природных водах, т. к. залежи хлористых солей осадочных пород хорошо растворяются в воде и выносятся
подземными водами и реками в моря и океаны, где, как и натрий постоянно накапливаются, достигая высоких концентраций.
Бикарбонат ионы (НСО3–) появляются в воде вследствие диссоциации
угольной кислоты Н2СО3, которая образуется в воде при растворении в ней воздуха, содержащего углекислый газ (СО2). Под действием этого газа углекислые
соли (щёлочноземельных металлов) превращаются в бикарбонаты и этот переход характеризуется, таким образом, уравнением углекислотного равновесия
(1)
общего вида:
Ме2+ + СО32– + Н+ + НСО3– = Ме(НСО3)2 .
В частности, в случае превращения карбоната кальция в гидрокарбонат имеет место уравнение
СаСО3 + СО2 + Н2О
Са(НСО3)2 .
(2)
2+
6
Растворимость в воде двууглекислых солей значительно превышает таковую
для карбонатов.
Реакция растворения карбоната кальция в воде, содержащей свободную углекислоту, обратима и до конца не доходит, т. е. часть имевшейся в растворе
угольной кислоты остаётся в свободном состоянии после реакции. Каждому
определённому содержанию в воде гидрокарбонатиона (НСО3–), находящемуся
в равновесии с кристаллами СаСО3, будет отвечать строго определённая концентрация свободной углекислоты. Это количество свободной углекислоты называют равновесной углекислотой. Если содержание свободной углекислоты в
воде окажется меньшим, чем необходимо для поддержания равновесия, то водная система будет неустойчива, и из неё будут выделяться твёрдая фаза (кристаллы) карбоната кальция до тех пор, пока не наступит новое равновесие. Таким образом, вода, в которой концентрация свободной углекислоты равна равновесной, называется стабильной. Если же концентрация свободной углекислоты меньше равновесной, то такая вода называется нестабильной, а больше
равновесной – агрессивной по отношению к карбонату кальция.
Аномальная растворяющая способность воды заключается в том, что она,
как правило, растворяет большинство веществ и в больших количествах, чем
другие жидкости, молекула которых по своим размерам меньше 5,2 Ангстрем.
Растворяясь в воде металлы, образуют метастабильные клатратные комплексы
в виде кристаллогидратов (рис. 1), а газы – газовые гидраты.
Ø 5,2Å
H2O
H2O
а
б
Рис. 1. Стабилизация гексааквакомплекса кальция в полости
додекаэдрической структуры воды: а – гексааквакомплекс [Ca(H2O)6]2+;
б – додекаэдрическая структура, состоящая из молекул воды
При нагревании природной воды метастабильные клатратные комплексы
воды разрушаются с образованием гидратообразующих веществ. В начале процесса нагрева уже при температуре 42–45 оС из неё начинают выпадать соли
временной жёсткости, обладающие отрицательным коэффициентом растворимости. Уравнение углекислотного равновесия смещается в сторону образования
твёрдой фазы (карбоната кальция или магния) из-за того, что СО2 выделяется из
воды. В объёме нагреваемой воды образуются кристаллы шлама, а на поверхности нагрева – отложения из кальция и магния, которые называют первичной
накипью
Са(НСО3)2
СаСО3 + Н2О + СО2 ,
(3)
7
Mg(HCO3)2
MgCO3 + H2O + CO2 .
(4)
Если при нагреве питательной воды использовать шламоотделитель, то из неё
можно удалить вышеуказанные кристаллы и уменьшить накипеобразование в
котле. Такой приём называется термическим умягчением воды.
С другой стороны, если в объёме воды создать условия избытка СО2, например, путём растворения в ней выпускных газов от СДВС, то распад бикарбонатов в ней при нагревании некоторое время будет задерживаться. При этом
появление накипи на поверхности нагрева из солей временной жёсткости не
будет происходить.
При экспериментальных исследованиях структура накипи на поверхности
нагрева практически не воспроизводится. Поэтому в настоящее время механизм
процесса накипеобразования в водных растворах слабых электролитов, чем является природная вода, остаётся малоизученным и не поддаётся описанию из-за
сложности его физической и химической природы.
Известно, что в воде возможна химическая реакция между солями, в результате которой образуются новые соли, имеющие меньшие коэффициенты растворимости, что в свою очередь, вызывает их кристаллизацию на поверхности
нагрева. Например,
CaCl2 + Na2SiO3 = CaSiO3 + 2NaCl.
(5)
При нагревании природной воды соли постоянной жесткости, обладая положительным коэффициентом растворимости, образуют твёрдую фазу тогда,
когда достигается превышение их предела растворимости (предела насыщения), т. к. при каждой температуре в водном растворе всегда имеет место условие постоянства предела растворимости вещества, например, для СаSO4
[Са2+]×[SO42–] = ПРСаSO 4 = const (при t = const).
(6)
В многокомпонентных растворах, несмотря на то, что для каждого из компонентов предела насыщения не достигается, равновесие может быть нарушено
в сторону выпадения одного из них в осадок. Например, если к насыщенному
раствору CaSO4 при постоянной температуре добавить Na2SO4 или CaCl2, то
равновесие нарушится в сторону уменьшения растворимости CaSO4 и часть его
выпадет в осадок, т. к. должно выдержаться вышеуказанное условие. Поэтому в
процессе генерации пара, чтобы исключить образование накипных отложений
из солей постоянной жёсткости, целесообразно перевести их в шлам и удалить
из объёма кипящей воды. Если взвешенные частицы шлама своевременно не
удалить из кипящей воды, то они в процессе генерации пара укрупняются и отлагаются на поверхности нагрева, в виде рыхлой накипи, которая называется
вторичной. Она по своему составу является менее плотной и обладает большим термическим сопротивлением.
В котельных установках все виды коррозии подразделяют на сплошную
(общую) и местную. В зависимости от механизма взаимодействия металла и
коррозионной среды она может быть электрохимической и химической. Коррозия, наблюдаемая в паровых котлах, чаще всего бывает электрохимической.
При сплошной коррозии металл разрушается в глубину более или менее равно8
мерно (рис. 2). Неравномерность может проявляться колебаниями глубины
сплошного повреждения или избирательным удалением из сплавов одного из
компонентов. Поэтому сплошная коррозия, в свою очередь, подразделяется на
равномерную (а), неравномерную (б) и избирательную (селективную) (в). Местная коррозия может развиваться в виде пятен (г), язв (д) или точек (питтингкоррозия) (е). Она также может быть подповерхностной.
Рис. 2. Виды коррозии поверхности нагрева паровых котлов:
а – сплошная равномерная; б – сплошная неравномерная; в – сплошная избирательная (селективная); г – местная пятнами; д – язвенная; е – точечная; ж –
межкристаллитная; з – транскристаллитная, возникающая под нагрузкой
Местная коррозия называется межкристаллитной, если она возникает и развивается только по границам кристаллов (ж). Особым видом местной коррозии
является коррозионное растрескивание, развивающееся при одновременном
воздействии коррозионной среды, изменениях температуры поверхности нагрева и растягивающих напряжений. Коррозионные трещины в этом случае распространяются по границам зерен (межкристаллитно) и через тело зерна
(транскристаллитно) (з).
Выбор технологии обработки воды на судах в каждом конкретном случае
должен производиться из соображений экономической целесообразности. Для
этого необходимо знать свойства природных вод и физико-химические процессы в водных средах, эксплуатационные требования к судовым технологическим водам, показатели качества воды и классификацию примесей загрязняющих природную воду и техническую воду, источники загрязнения воды на морских судах и динамику изменения её химического состава.
В пароконденсатном цикле паротурбинной СЭУ вода и пар циркулируют по
замкнутому контуру, в котором могут быть различные утечки, вызывающие периодическое или непрерывное восполнение их технической водой. Существуют
определения для потоков воды в разных точках этого контура:
• главный конденсат – вода после конденсации отработавшего пара на выходе
из главного конденсатора;
• вспомогательный конденсат – вода после конденсации отработавшего пара
из вспомогательных конденсаторов (после вспомогательных механизмов и
теплообменных аппаратов);
9
•
дистиллят испарительной установки – вода, полученная из морской путем
её термической дистилляции;
• дренажи – конденсаты после паровых подогревателей топлива и общесудовых потребителей пара;
• добавочная вода – вода, подаваемая в циркуляционный контур для восполнения его в результате утечек (воды и пара);
• питательная вода – вода, подаваемая в паровой котёл или опреснитель для
поддержания их паропроизводительности;
• котловая вода – вода, находящаяся в циркуляционном контуре котла;
• продувочная вода – вода, удаляемая периодически или непрерывно из котла
для уменьшения её солесодержания и концентрации шлама;
• охлаждающая вода – вода, с помощью которой отводят теплоту из теплотехнического объекта.
Питательная вода судовых паровых котлов состоит из конденсата отработавшего пара и добавочной воды. Добавочная вода может быть природной, полученной с берега и прошедшей соответствующую водообработку, или дистиллятом от судовой водоопреснительной установки. Добавочная вода в целом составляет 2–5 % от общего количества питательной воды.
Вода является одним из лучших природных растворителей органических,
неорганических веществ и газов. Поэтому она в результате круговорота в природе приобретает множество примесей в виде газов, взвешенных мелкодисперсных частиц и растворенных минералов различного происхождения. Конденсат отработавшего пара на судне может содержать примеси в виде продуктов коррозии трубопроводов или нефтеостатков СЭУ. Поэтому питательной
водой, например, для судовых вспомогательных газотрубных паровых котлов
может быть конденсат отработавшего пара или природная вода, общей жесткостью не более 0,5 мг-экв/л, содержащая в себе микрочастицы песка и глины, а
также растворенные накипеобразующие вещества, такие как бикарбонаты,
сульфаты и силикаты. В воде всегда могут быть коррозионно-активные газы –
кислород, хлор и углекислый газ.
Поступление в паровой котел с питательной водой любых вышеперечисленных веществ является нежелательным, т. к. испарение воды увеличивает их
концентрацию в объёме котла, что приводит к появлению накипных отложений
на поверхности нагрева и коррозии металла при контакте его с выделяющимися
из воды коррозионно-активными газами. Все это снижает эффективность теплообмена из-за уменьшения коэффициента теплопередачи, приводит к перегреву металла и потере его прочности, что снижает надежность оборудования,
увеличивает расход топлива и рентабельность судна в целом.
В СДВС при высокотемпературной системе охлаждения цилиндропоршневой группы вышеуказанное также имеет место. Однако в большинстве своём на
морских судах системы охлаждения ДВС низкотемпературные и двухконтурные. В первом контуре охлаждения обычно применяют циркуляцию водного
раствора ингибитора коррозии, а во втором – проточную забортную воду. При
подогреве забортной воды создаются благоприятные условия для развития в
10
ней биологических процессов. Поэтому внутренняя поверхность таких трубных
систем зарастает определённым видом моллюсков, увеличивая их гидравлическое сопротивление, что уменьшает подачу охлаждающей воды. Для предотвращения вышеуказанного явления существуют определённые технологии обработки воды и соответствующее оборудование, знание которых для инженерасудомеханика является обязательным.
Техническая эксплуатация СЭУ невозможна без проведения соответствующего водного режима, т. е. определенной технологии водообработки, предусматривающей периодический контроль (водоконтроль) показателей качества
воды, определяющих его эффективность. Качество используемой в СЭУ воды в
значительной мере определяет надёжность элементов установки и объём трудозатрат на восстановление её работоспособности, а выбор технологии водоподготовки определяется её экономической целесообразностью.
Поэтому каждый инженер-судомеханик должен уметь определять основные
показатели качества питьевой и технической воды, а также корректировать
водные режимы и технологии водообработки в соответствии с инструкциями
по обслуживанию судового оборудования. Для этого он должен знать некоторые положения химической термодинамики и химической кинетики, фазовые
равновесия, закон произведения активностей, механизмы накипеобразования,
состав, структуру, физические и термодинамические свойства накипей и шлама. Влияние их на надёжность и экономичность судового энергетического оборудования. Необходимо также знать классификацию принципов и методов предотвращения накипеобразования и коррозии в судовых энергетических объектах, где вода является рабочим веществом.
Технологии очистки и обработки воды требуют знания закона растворимости в воде газов (закона Генри), процессов термического и химического удаления их воды коррозионно-активных газов, а также конструктивных особенностей судового оборудования для этих целей.
Современные методы очистки воды от минеральных примесей основываются на термическом опреснении морской воды в утилизационных вакуумных установках, а также на использовании процессов электродиализа, ионного обмена, химического обессоливания или обратного осмоса. Рациональные способы
применения технологий обработки и очистки воды на судах включают безреагентные методы силового воздействия на структуру воды, такие как: обработку
воды магнитным или электростатическим полем, ультразвуком или ультрафиолетом в бактерицидных лампах.
Водный режим судового энергетического оборудования основывается на
технологии комплексного решения задач предотвращения накипеобразования и
коррозии конструкционных материалов, исходя из экономической целесообразности и рентабельности морского транспорта. Поэтому судовому механику
необходимо уметь выбрать безреагентный метод водоподготовки или рассчитать дозировку химических реагентов для водного режима любой котельной установки (главной, вспомогательной или утилизационной) с использованием
фосфатов, а также без них. Это магнитная обработка питательной воды или с
использованием фосфатов – фосфатно-щелочной, фосфатно-нитратный, фос11
фатно-коррекционный водные режимы, или режимы химического обессоливания питательной воды, гидразинно-аммиачный или комплексонный.
2.1. Задачи водоподготовки
Судовые котельные установки питаются водой, в которой практически всегда содержится некоторое количество примесей, в основном в виде солей и соединений тяжёлых металлов. Эти примеси, образуя накипные отложения на теплопередающей поверхности нагрева котла, снижают эффективность теплообмена при генерации пара из-за увеличения термического сопротивления слоя
накипи, вызывая перерасход топлива, перегрев металла поверхности нагрева и
потерю его прочности. Поэтому первой задачей водоподготовки является
создание таких условий в паровом котле, при которых его поверхность нагрева с водной стороны остаётся чистой(без накипи) в течение заданного
срока (не менее одного года) эксплуатации.
Конструктивные элементы котельной установки, как и СЭУ с паротурбинной установкой (ПТУ) на различных участках паро-конденсатного тракта омываются водой различного состава. Чем меньше в такой воде растворённых солей, тем лучше в ней растворяются коррозионно-активные газы, как кислород
воздуха и СО2. При этом в некоторых элементах СЭУ, в частности в паровых
котлах, могут возникать такие условия, при которых вода или пар становятся
агрессивными и вызывают, например, кислородную коррозию металла на экономайзерных участках парообразующих труб. Это может привести к преждевременному выходу их из строя из-за язвенного разрушения металла и появления свищей на указанных участках. Поэтому вторая задача водоподготовки
заключается в создании условий в объёме котловой воды, при которых коррозия идёт со скоростью, не представляющей опасности для длительной
нормальной эксплуатации котельной установки.
В процессе генерации пара в пароводяном коллекторе котла накапливаются
примеси, поступающие в него с питательной водой. При барботаже пара через
зеркало воды в пароводяном коллекторе происходит унос влаги котловой воды
с паром, что вызывает отложения накипи из таких примесей на поверхностях
пароперегревателей или на лопатках турбин. Это снижает эффективность теплоэнергетического оборудования и надёжность СЭУ в целом. Поэтому третья
задача водоподготовки состоит в предотвращении уноса примесей котловой воды с паром или ограничения его некоторым допустимым минимумом.
Для обеспечения СЭУ чистой водой необходимо иметь специальную систему водоподготовки.
Различают предварительную (докотловую) и внутрикотловую обработку воды. Предварительная обработка заключается в очистке воды от примесей до
поступления её в паровой котёл. Внутрикотловая обработка воды производится
непосредственно в процессе работы парового котла, путем воздействия на водный режим котлоагрегата.
Обработка воды может быть с применением химических реагентов и называться реагентной, или без них, например, путём использования силовых по12
лей (ультразвука, электрического или магнитного поля). Тогда она называется
безреагентной.
Правильно организованная и систематически осуществляемая водоподготовка способствует снижению расхода топлива в котельной установке и обеспечивает её длительную безаварийную работу.
2.2. Обращение воды в цикле судовой паротурбинной установки
В судовых главных и вспомогательных паротурбинных установках (ПТУ)
рабочее тело – вода и пар циркулируют по замкнутому контуру (рис. 3).
Рис. 3. Принципиальная схема регенеративного подогрева питательной воды ПТУ
Перегретый пар (рис. 3) после котла через маневровое устройство (МУ) направляют в турбину высокого давления 3 (ТВД) или в турбину заднего хода
(ТЗХ), которая находится на одном валу с турбиной низкого давления 5 (ТНД).
На переднем ходу СЭУ после ТВД пар поступает в ТНД, которая через редуктор, как и ТВД, передаёт энергию на гребной вал.
При включении реверса СЭУ, пар от МУ поступает на ТЗХ, останавливает
вращение её ротора вместе с ротором ТНД, затем начинает вращать колесо редуктора в направлении обратного заднего хода судна. Пар, совершив работу в
турбинах, направляется в главный конденсатор 7. На этом участке контура циркуляции, вплоть до конденсатора, пар находится под избыточным давлением, и
возможна его безвозвратная потеря через неплотности фланцевых соединений,
запорной и регулирующей арматуры.
Кроме того, пар теряется при использовании его для распыливания топлива
в форсунках, очистке поверхностей нагрева с помощью паровых сажеобдувочных устройств, при периодическом открытии предохранительных клапанов,
13
в результате утечек через концевые уплотнения турбин. Суммарная потеря
воды на участке избыточного давления составляет 1–3% общего расхода воды
в контуре.
В конденсаторе 7 отработавший пар конденсируется в условиях вакуума
(1·102 – 5 ·103 Па). Для отвода теплоты от конденсирующего пара используют
морскую (забортную) воду. Её прокачивают при давлении 0,1 МПа через трубы конденсатора насосом 6. В конденсаторе при помощи эжектора 16 и при
конденсации пара создаётся вакуум. Таким образом, в конденсаторе имеется
перепад давления между полостью, где находится забортная вода, и полостью, где конденсируется пар. Поэтому конденсат может загрязняться забортной водой, которая может просачиваться в неплотных соединениях развальцованных труб в трубных решётках конденсатора. Из-за подсосов забортной воды в конденсаторе появляются примеси в количестве, пропорциональном величине присоса и содержанию солей в морской воде.
Содержание солей в воде открытых морей и океанов составляет приблизительно 35000 мг/кг. Основными компонентами являются ионы хлора
(55%) и ионы натрия (30%). Поэтому загрязняющими веществами, проникающими через неплотности в конденсаторах, будут в основном ионы хлора и
натрия.
Вакуум в конденсаторе и его неплотности приводят к подсосу не только солей из контура забортной воды, но и воздуха из атмосферы. В результате в
конденсат может попадать кислород, который стимулирует коррозионные процессы в пароводяном контуре циркуляции, что приводит к появлению в питательной воде окислов железа и меди.
Таким образом, конденсатный насос 8 может откачивать из конденсатора
конденсат, в количестве около 97 – 99% от расчётного значения, загрязнённый
солями, кислородом и окислами конструкционных металлов трубопроводов.
От качества конденсата главным образом зависит качество питательной воды,
поступающей в паровой котёл.
Для восполнения потерь конденсата на морском судне обычно используют
испарительную установку, с помощью которой из забортной воды выпариванием получают пресную воду. Эта установка включает в себя испаритель забортной воды 4, вспомогательный конденсатор 2, конденсатный насос 9 испарителя, откуда вода подаётся в цистерну сбора горячих конденсатов 11 и далее
– центробежным насосом 10 в контур регенеративного подогрева питательной
воды (рис. 3).
Конденсат вторичного пара в испарителях называют дистиллятом. Воду,
предназначенную для восполнения потерь конденсата, называют добавочной
водой. Кроме дистиллята, добавочной водой может быть береговая пресная вода, полученная судном у причала или при стоянке на рейде, прошедшая специальную обработку и отвечающая нормам качества питательной воды.
Конденсат с добавкой дистиллята (или береговой умягчённой воды) называют питательной водой. Питательная вода, пройдя через подогреватель низкого давления 12, поступает в термический деаэратор 13, а затем – в подогреватель высокого давления 14 и в экономайзер главного парового котла.
14
Для отсоса мокровоздушной смеси выпара (в том числе, коррозионноагрессивных газов) из конденсатора и деаэратора служат эжекторы 15 и 16, пар
на которые поступает отбором от ТВД.
На участке от конденсатора 7 до деаэратора 13 при переохлаждении конденсата, когда температура отработавшего пара уже не соответствует давлению
в конденсаторе, в воде может быть повышенное содержание кислорода или углекислого газа, вызывающих коррозию питательного тракта и появление в питательной воде окислов железа.
В общем случае растворимость газов в воде определяется законом Генри:
Сг = Кг·рг.,
(7)
где Кг – коэффициент растворимости газа в воде, мг/кг ·кПа, численную величину которого для кислорода и углекислого газа можно определять по графикам (рис.4) для соответствующих температур; рг – парциальное давление газа
над поверхностью жидкости, кПа, которое можно рассчитать по абсолютному
давлению в конденсаторе и переохлаждению конденсата:
pO = 0,21( p к − р п ) ;
(8)
(9)
рСО = 0,003( р к − р п ) ,
где р к – абсолютное давление в конденсаторе, кПа; р п – давление водяных
паров, соответствующее насыщению при температуре конденсата, кПа; 0,21 и
0,003 – массовые доли кислорода и углекислого газа в воздухе.
2
2
Рис. 4. Зависимость коэффициента растворимости кислорода (1)
и углекислого газа (2) от температуры воды
Из всех потоков воды в паросиловых установках (ПСУ) наибольшая концентрация кислорода имеет место в дренажах после сборника горячих конденсатов, а наименьшая – в дренажах от регенеративных подогревателей питательной воды. Если дренажи направляют в конденсатор, то после смешения их
с конденсатом они приобретают газовый и ионный состав последнего.
15
Для вспомогательных паровых котлов с открытыми системами питания, где
все конденсаты отработавшего пара собираются для очистки от смазочного
масла в, так называемом тепловом ящике, питательная вода существенно
загрязнена коррозионно-активными газами за счет сорбции их из воздуха через свободные поверхности раздела воды и воздуха в отсеках теплого ящика.
Для СЭУ с ПТУ наиболее высокое солесодержание имеет место у потока
добавочной воды. Ионный состав добавочной воды определяется её происхождением. Если это дистиллят от опреснительных установок, то его ионный состав качественно соответствует составу забортной воды, так как соли в дистиллят вносятся вторичным паром из-за механического уноса их из объёма
кипящего рассола забортной воды. Суммарное солесодержание дистиллята от
опреснительных установок обычно составляет 2 – 5 мг/кг. Задавшись его
общим солесодержанием, можно в этих пределах по составу забортной воды
посчитать средний коэффициент механического уноса солей вторичным паром
и получить ионный состав дистиллята:
m = ССд..в/ ССз. в; [Са2+]д. в= т [ Са2+] з . в ;
} (10)
[Mg2+]д.в = m[Mg2+]з.в; [С1-]д.в = т[С1-]з.в ,
где ССд.в и ССз.в – общее солесодержание добавочной и забортной воды соответственно, мг/кг.
Аналогично рассчитывают концентрацию остальных ионов добавочной воды. Если на судне в качестве добавочной используют пресную воду из судовых
запасов, то её состав известен, если известен водоем, из которого берет воду
город или порт.
Концентрация коррозионно-активных газов в добавочной воде обычно соответствует пределу их насыщения по закону Генри, и её можно высчитать по зависимости (7), а численные величины коэффициентов растворимости можно
определить по графикам рис. 2. Температура добавочной воды обычно равна
температуре забортной воды.
Поток питательной воды складывается из потоков главного, вспомогательных конденсатов, дренажей и добавочной воды. Поэтому ионный состав
питательной воды определяется уравнением баланса солей указанных потоков
воды:
[
Dг . к Ca 2 +
]
г . к + Dв . к
[Ca ]
2+
в . к + Dдр
[Ca ]
2+
др + Dдв
[Ca ]
2+
дв
[Ca2+]пв=
,
(11)
Dп . в
где Dп.в= Dг.к + Dв.к + Dдр + Dдв , кг/с.
Аналогично рассчитывают состав питательной воды по остальным ионам.
Для поддержания состава котловой воды в нормируемых пределах по
показателям качества, например, по солёности воды, следует непрерывно
или периодически удалять из котла часть котловой воды с высоким содержанием хлоридов, заменяя её питательной водой с низким солесодержанием. Этот процесс называют продувкой котла.
Обычно судовые котлы продувают один – два раза в сутки. Расход продувочной воды определяют по балансу солей в котле, которые не участвуют в
химических реакциях предотвращения накипеобразования, например, по
ионам хлора:
16
[Cl ]
−
D = ϕ Dп.в= Dп.в [Cl − ]пк ..вв ,
(12)
где [Сl-]п.в и [С1-]к.в – концентрации хлор-ионов в питательной воде и нормированная концентрация их в котловой воде, мг/кг (см. табл. 1).
Отношение ϕ = [С1-] п.в / [С1-] к.в называют коэффициентом продувки котла.
Требуемая концентрация кислорода в питательной воде зависит от типа
конденсатно-питательной системы. В открытых системах питания с теплыми
ящиками её можно принимать в пределах 1,5 – 2,5 мг/кг для вспомогательных
и утилизационных паровых котлов (при выработке пара на теплофикацию и
для турбогенераторов). На судах с ПТУ отечественного производства, где пар
используют для передачи мощности на гребной вал СЭУ, содержание кислорода в питательной воде [О2]п.в= 10 – 30 мкг/кг. В закрытых системах питания,
где предусмотрена деаэрация питательной воды в специальных термических
деаэраторах, концентрация кислорода в питательной воде обычно составляет
[О2] п.в= 0,02 – 0,05 мг/кг.
В питательной воде, кроме ионных примесей и растворенных газов, всегда
есть продукты коррозии конструкционных материалов (труб, арматуры и пр.).
Конденсатно-питательные системы на судах изготавливают из сталей и сплавов на медной основе, поэтому в процессе коррозии в питательную воду переходят окислы железа и меди. Растворимость этих окислов чрезвычайно мала, в
воде они находятся в виде мелкодисперсного взвешенного шлама. Степень загрязнения питательной воды окислами зависит от принятого метода водообработки.
При фосфатно-нитратном водном режиме концентрации окислов в питательной воде составляют 0,15 – 0,3 для железа и 0,05 – 0,1 для меди.
При подщелачивании питательной воды аммиаком, например при гидразинноаммиачном водном режиме, количество окислов с питательной водой
уменьшается до 0,01 – 0,02 мг/кг по железу и 0,005 – 0,01 мг/кг по меди.
По преимущественным типам коррозионных процессов судовые котлы делятся на две группы: барабанные котлы (главные и вспомогательные) с естественной циркуляцией воды и котлы с вынесенными сепараторами пара, змеевиковыми поверхностями нагрева и принудительной циркуляцией (утилизационные паровые котлы).
У котлов первой группы питательная вода вводится в пароводяной барабан
под зеркало котловой воды, где она практически мгновенно прогревается до
температуры насыщения барботирующим паром, выходящим из парообразующих труб. При этом кислород, присутствовавший в питательной воде, выделяется (десорбируется) в паровую фазу и коррозионного воздействия на металл не оказывает. Поэтому барабанные котлы даже при открытых системах
питания (с теплым ящиком, без деаэратора) не реагируют на кислород питательной воды. Главной причиной отказов трубных систем барабанных котлов
является подшламовая коррозия, возникающая под частицей шлама, прикипевшей к стальной поверхности трубки котла.
Подпитка котлов второй группы ведется в водное пространство сепаратора
пара, где питательная вода смешивается с водой циркуляционной. Температура
17
питательной воды утилизационных котлов обычно близка к 40°С. Поэтому после смешения этих потоков воды в сепараторе пара температура воды в нём
становится меньше температуры насыщения и десорбции кислорода из воды не
происходит. В переохлажденную воду потоком конденсирующегося пара переносится кислород из парового пространства, а циркуляционный контур приобретает аккумулирующее свойство по кислороду. Поэтому главной причиной
отказов трубных систем утилизационных котлов является кислородная коррозия, возникающая в зоне образования пузырька пара, т. е. на конце экономайзерного участке парообразующей поверхности нагрева.
Если питательная вода по своему качеству (содержанию солей, окислов меди и железа) не удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям, то производят её обработку (предварительная обработка). При этом обработка может быть
полной или частичной. При полной обработке на судне устанавливается водоподготовительное оборудование, рассчитанное на полный расход воды. При
частичной обработке через водоподготовительное оборудование проходит
только часть воды.
2. 3. Методы предотвращения накипеобразования и коррозии
Для предотвращения накипеобразования в паровых котлах используются
химические и физические методы. К химическим методам относятся:
• способы, при которых накипеобразующие катионы кальция и магния переводят химическими реагентами в труднорастворимые соединения, не
являющиеся накипеобразователями, т. к. они выпадают в шлам;
• способы, при которых накипеобразователи (в том числе железо и медь)
переводят химическими реагентами в комплексные анионы соединений, хорошо растворимых в воде.
К физическим методам относится обработка воды магнитным или электростатическим полем, а также – ультразвуком.
Для предотвращения накипеобразования также широко применяют:
• предварительную очистку воды;
• термическое опреснение забортной воды для подготовки добавочной воды и хозяйственно-бытовых вод;
• химическое умягчение, или обессоливание, добавочной воды или всего
потока питательной воды способом ионного обмена;
• обессоливание воды способом электродиализа.
Существует много других способов обессоливания или опреснения воды,
которые широко используются в технике стационарных условий эксплуатации и
которые пока не получили распространения на морских судах в силу экономической нецелесообразности, например, опреснение вымораживанием, гиперфильтрацией и пр.
Для предотвращения кислородной коррозии на судах применяют деаэрацию
воды или химическое связывание коррозионно-активных газов или одновременно оба этих метода.
18
Деаэрацию воды ведут в вакуумных конденсаторах и специальных термических деаэраторах. В конденсаторах при температуре конденсата, близкой к
температуре насыщения, парциальное давление кислорода на поверхности капель воды стремится к нулю pO2 → 0. При этом растворимость кислорода в
воде также близка к нулю [О 2 ]→0. В современных ПСУ, с использованием
регенеративных конденсаторов, переохлаждение конденсата составляет около
одного градуса (1°С), поэтому концентрация кислорода в нем не превышает
[О2]к = 0,05 мг/кг, что для паровых котлов не представляет опасности.
В деаэраторах воду распыливают форсунками для создания большей контактной поверхности нагрева воды паром. Падающие капли воды подогреваются паром, который подается снизу деаэрационной колонки. При таком
контактном нагреве и большой поверхности теплообмена, измельчённые капли воды прогреваются практически до температуры насыщения. При этом
воздух, находившийся в воде, выделяется (десорбирует) в паровую фазу, а вода деаэрируется. Качество деаэрации обеспечивается избытком острого
греющего пара (выпаром). Концентрация кислорода в воде после термических деаэраторов обычно не превышает 0,03 мг/кг.
Для судов с открытыми системами питания концентрация кислорода в питательной воде достигает 2 – 5 мг/кг, что недопустимо для паровых котлов.
Основными поставщиками кислорода в питательную воду являются добавочная вода, концентрация кислорода в которой близка к пределу по насыщению,
и свободные поверхности воды в баках дренажей и в теплом ящике. Для предотвращения кислородной коррозии котлов в ПСУ с открытыми системами питания применяют химическое обескислороживание питательной воды, например, гидразином.
Гидразин (на судах применяют его гидратную форму N2H4·H2O – гидразингидрат) обладает сильными восстановительными свойствами. При его добавке в питательную воду связывание кислорода идет по следующей реакции:
N2H4 + O2 → 2H2O + N2 .
(13)
Избыток гидразина-гидрата в котле термолизуется с образованием аммиака NH3:
2N2H4+2H2O → 2NH4OH + H2; NH4OH → NH3 + H2O.
(14)
Аммиак подщелачивает котловую воду до рН = 9,0 – 9,5, чем создает благоприятную среду в отношении стойкости котельного металла к коррозии. При
периодических осушениях котла внутренние поверхности металла вследствие
стояночной коррозии покрываются пленкой ржавчины из трехвалентного железа Fe2O3. Гидразин, обладая свойствами восстановителя, переводит окислы
трехвалентного железа в магнетит:
N2H4 + 6Fe2O3 → 4Fe3O4 + N2 + 2H2O.
(15)
По данным С. М. Сурина, образовавшаяся пленка магнетита прочно адсорбируется на поверхности металла труб и становится практически непроницаемой для деполяризаторов – водорода и кислорода. Её коэффициент линейного
расширения близок к данным для котельного металла, поэтому она обладает
хорошими противокоррозионными свойствами.
19
В процессе парообразования аммиак переходит из котловой воды в пар,
подщелачивает его, проходит вместе с паром проточную часть турбины и растворяется в воде при конденсации пара. Конденсат подщелачивается аммиаком до рН = 8,5 – 9,0. Это уменьшает скорость коррозии металла конденсатнопитательного тракта и внос окислов в паровые котлы с питательной водой.
Повышать концентрацию аммиака в конденсате можно только до 3,0 мг/кг.
При больших концентрациях аммиака начинает вымываться медь из труб конденсаторов и подогревателей воды, что недопустимо при эксплуатации их.
Анализ состава питательной воды для главных котлов турбоходов, а также
для вспомогательных и утилизационных котлов дизельных судов показывает,
что на судах с опреснительными установками концентрация щелочноземельных
ионов невелика, а основными компонентами общего солесодержания являются
окислы железа и меди. При открытых системах питания питательная вода содержит недопустимые концентрации коррозионно-активных газов. Поэтому
водный режим таких котлов предусматривает защиту их и конденсатнопитательного тракта от кислородной и углекислотной коррозии, а также дозировку фосфатов на случай непредвиденных засолов питательной воды.
2.4. Технологии обработки воды фосфатами
На морских судах для осаждения кальциевых накипеобразователей наибольшее распространение получил тринатрийфосфат Na3РO4·12Н2О. Реакция
взаимодействия кальциевых солей с тринатрпйфосфатом идет следующим образом:
6Na3РО4+10СаСО3 + 2NаОН → Са10(РО4)6(ОН)2+10Nа2СО3,
(16)
где Са10(РО4)6(ОН)2 – гидроксилапатит, который представляет собой легкоподвижный шлам, не прикипающий к поверхности нагрева и практически нерастворимый в воде. Реакция идет только в сильно щелочной среде при 9 < рН
<10. В нейтральной и кислой средах (рН<7) реакция идет в сторону образования фосфатной накипи:
2Na3PO4+3CaCO3→ Ca3(PO4)2+3Na2CO3 .
(17)
По реакции (16) видно, что для обеспечения безнакипного режима в соответствии с нормами качества котловой воды (см. табл. 1) следует поддерживать избыток фосфат-ионов и щёлочности.
При высокой щёлочности котловой воды (рН>10), если в ней присутствует
углекислый магний, он выделяется из воды в виде гидроокисного шлама:
MgCO3+2NaOH→ Mg(OH)2+Na2CO3.
(18)
Практика эксплуатации судовых паровых котлов показывает, что гидроксилапатит не прикипает к поверхности нагрева, в то время как гидроокись магния
образует вторичные накипи. Поэтому обработка питательной воды тринатрийфосфатом предотвращает кальциевую накипь, но не обеспечивает безнакипного режима из-за возможной магниевой накипи, если испаритель подсаливает
опреснённую воду и она смешивается с питательной водой.
20
На основе уравнений (16) и (18) получено уравнение для расчёта суточной
дозировки тринатрийфосфата с целью перевода в шлам щелочноземельных
компонентов питательной воды, кг/сутки:
24 Dпв
Gтф= 106 C (28,5Жпв+ ϕ [РО43-]кв),
(19)
где Dпв – фактический расход питательной воды или паропроизводительность
котла, кг/ч; С = 0,25 – концентрация иона РО43- в техническом тринатрийфосфате; Жпв – общая жёсткость питательной воды, мг-экв/кг; ϕ = [Cl-]пв / [Cl-]кв –
коэффициент продувки котла; [РО43-]кв – нормированная концентрация фосфатиона в котловой воде, мг/кг, которую выбирают из табл. 1.
Тринатрийфосфат используют в качестве основного препарата при нескольких водных режимах в зависимости от качества питательной воды и давления
пара в котле.
Использование тринатрийфосфата (Na3PO4) совместно с кальцинированной
содой (Nа2СО3) называют фосфатно-щелочным водным режимом.
Таблица 1
Рекомендуемые рабочие нормы качества питательных и котловых вод паровых котлов
Ф о с ф а т н о - щ е л о ч н о й водный режим применяют для котлов всех типов,
имеющих рабочее давление пара менее 1,6 МПа, при ненормированном качестве добавочной воды. Для предотвращения накипеобразования при этом водном режиме в котловую воду раньше вводили противонакипин марки «МФ», в
состав которого входили следующие препараты:
• 67 – 71% тринатрийфосфат (Nа3РО4·12Н2О), который обеспечивает перевод в шлам ионов кальция и магния;
• 25 – 29% кальцинированная сода (Nа2СО3), которая обеспечивает необходимую щелочность котловой воды (9< рН <10) за счет реакции гидролиза:
Nа2СО3 + Н2О = NаНСО3 + NаОН ;
(20)
• 3 – 5% дубовый экстракт, который входит в состав противонакипина
21
для предотвращения щелочной коррозии котельного металла.
Тринатрийфосфат, так же как и сода, гидролизуется в воде с образованием
едкой щелочи и динатрийфосфата:
Nа3РО4 + Н2О = Na2НРО4 + NаОН.
(21)
В соответствии с данной формулой (21), водные растворы тринатрийфосфата
имеют щелочную реакцию. Однако степень гидролиза тринатрийфосфата
сильно зависит от температуры. При давлениях в котле менее 1,6 МПа, когда температура кипящей воды менее 200 0С, степень гидролиза его невысока
и для создания среды 9<рН<10 в котловую воду следует вводить (~30%) дополнительную щелочь в виде кальцинированной соды (Na2СО3). Поэтому водный режим котла называют фосфатно-щелочным.
При давлениях более 1,6 МПа, когда температура кипящей воды превышает
200 0С, гидролиз тринатрийфосфата обеспечивает щелочную среду, достаточную для перевода кальция в шлам (гидроксилапатит). Поэтому при давлениях
более 1,6 МПа кальцинированную соду в котлы вводить не следует.
Сама реакция тринатрийфосфата с кальцием в соответствии с формулой (16)
идет с образованием избыточной щелочи из-за гидролиза выделившейся соды.
Поэтому при введении одного тринатрийфосфата в котлы с давлением более,
чем 1,6 МПа и наличии солей жесткости в питательной воде требуется уже защита металла от щелочной коррозии.
В практике обслуживания котлов в качестве ингибитора щелочной коррозии
хорошо зарекомендовали себя нитраты – натриевая (NаNО3) или калиевая
(КNO3) селитра. Пассивирующее (предохраняющее от коррозии) влияние селитры состоит в том, что анионы NO3 адсорбируются на поверхности металла
котла, образуя гидрофобную защитную пленку нитратов железа. Нитраты вытесняют воду с поверхности, препятствуя действию щелочей на металл. Водный режим, основанный на дозировке тринатрийфосфата и нитратов, называют
фосфатно-нитратным. На судах отечественной постройки он нормирован
для котлов всех типов с давлением от 1,6 до 6,0 МПа (см. табл. 1). При более
высоких давлениях защитная нитратная пленка теряет прочность и не оказывает пассивирующего влияния на металл – т. е. в этих условиях нельзя устанавливать фосфатно-нитратный водный режим.
Расчет суточной дозировки тринатрийфосфата при фосфатно-нитратном
водном режиме ведут по уравнению (19). Дозировку селитры считают по
карбонатной щелочности питательной воды Щкп.в и нормированной щелочности котловой воды (см. табл. 1) Щк.в:
G с = 24×16 D п.в / 10 6 С × (Щ к п.в + ϕ [Щ к.в ]).
(22)
Свойство тринатрийфосфата образовывать щелочь по мере осаждения
кальция в действительности трудно использовать, т. к. в котлах с одинаковым
давлением, но с разным качеством питательной воды щелочность котловой
воды будет больше в том котле, где хуже качество питательной воды по ионам жесткости. И наоборот, при одинаковом качестве питательной воды щелочность будет больше в котле, в котором больше рабочее давление.
При давлениях более 6,0 МПа обработку котловой воды следует вести без
образования избыточной щелочи. Такой водный режим называют фосфатно22
коррекционным. Суть его заключается в том, что для предотвращения накипеобразования в котлы вместе с тринатрийфосфатом вводят кислый динатрийфосфат Nа2НРО4. При этом нормированной щелочности котловой воды
добиваются комбинацией относительных масс три- и динатрийфосфата, а общую дозировку фосфатов рассчитывают по уравнению (19).
Водные режимы котлов с дозировкой тринатрийфосфата хорошо зарекомендовали себя на морских судах с точки зрения защиты от щелочноземельных накипей. Однако эти водные режимы принципиально не могут защитить от кислородной коррозии котел и конденсатно-питательные тракты, вследствие чего
питательная вода обычно сильно зашламлена окислами.
На судах морского флота эксплуатируется большое количество вспомогательных и утилизационных котлов различных типов, где широко применяются фосфатно-щелочной и фосфатно-нитратный водные режимы. Эти режимы
замедляют образование накипных отложений, но не устраняют образовавшуюся накипь, если она возникает. Поэтому котлы приходится периодически
выводить из действия, чтобы произвести проверку технического состояния
поверхности нагрева и при необходимости произвести её очистку от накипи.
Обычно такую работу производят во время рейса судна или стоянки в портах,
либо во время заводского ремонта.
Очистка котлов от накипи может производиться механическим или химическим методом. Первый метод – весьма трудоёмкий, а в ряде случаев и просто технологически неосуществим из-за недоступности к внутренним поверхности нагрева. Второй – дорогостоящий и при отклонении от строгой технологии вызывает интенсивную коррозию металла. Таким образом, очистка
внутренней поверхности нагрева судовых котлов является важной проблемой
их эксплуатации.
В результате исследований ЦНИИМФа в 1988 году был разработан многофункциональный химический препарат марки «ТХ». Он позволяет обеспечить в котлах безнакипный режим работы, удаление (отделение от поверхности нагрева) ранее образовавшихся отложений без вывода котлоагрегатов из
действия, создание защитной плёнки на очищенном металле поверхности нагрева, предотвращение адгезии (прикипания) нового шлама и как следствие –
замедление развития язвенной (подшламовой) коррозии.
Химический состав препарата «ТХ»:
1. Внешний вид – порошок от белого до светло-коричневого цвета;
2. Массовая доля Р2О5 – 11,8 ÷ 13,9 %; (тринатрий или динатрийфосфат);
3. Массовая доля динатриевой соли этилендиаминовой кислоты
(Трилон Б) – не менее 16,5%;
4. рН водного 1% - го раствора – 11,2 ÷ 11,8;
5. Кинематическая вязкость 10% - го раствора при 20 0С, м2/с – 5,5 ÷ ,5;
6. Оптимальное рН котловой воды = 10,5 ÷ 11,8;
7. Сода кальцинированная – Na2CO3;
8. Полиакриломид + полиэтиленгликоль (ПЭГ-115);
9. Нитрилтриметилфосфатная кислота + натрий тетраборнокислый.
Суточный расход рабочего раствора «ТХ»: Gтх= 24 Dп.в·g /10k дм3/сут,
23
где Dп.в – фактический расход питательной воды, т/ч; g = 80 г/т – расход сухого реагента на тонну паропроизводительности котла для питательной воды
Жобщ= до 0,9 мг-экв/кг (для конденсата и дистиллята g = 20 г/т); k – рабочая
концентрация раствора реагента, %.
Способы применения:
1. Для приготовления 4%-го раствора препарата «ТХ» содержимое пакета
(240 г) растворить в 5,8 дм3 (л) воды. Для 100 дм3 раствора – 4 кг (17 пакетов)
«ТХ»;
2. Для приготовления 8%-го раствора «ТХ» содержимое пакета (240 г)
растворить в 2,9 дм3 воды.
Оптимальная концентрация рабочего раствора «ТХ» составляет 4%. Она
соответствует расходу 2 л реагента на 1 м3 питательной воды.
При применении «ТХ» необходимо контролировать РН = 10,5 – 11,8 котловой воды. Если перед применением «ТХ» не производилась очистка внутренней поверхности котла, то в течение первых 2 – 3 месяцев работы котла с
«ТХ» его дозировку необходимо увеличить на 20 – 30%.
В состав препарата «ТХ» введён динатрийфосфат (Na2HPO4) в таком соотношении, чтобы получить эффект фосфатно-коррекционного метода водообработки. Здесь же используется два полимерных соединения, взаимно дополняющих друг друга (полиакриломид и полиэтиленгликоль), которые, не изменяя
свойств химической структуры, в силу своих электрохимических свойств предупреждают кристаллизацию накипных отложений на поверхности металла.
Так как полимеры имеют большую молекулярную массу и длинноцепочную
структуру, то, внедряясь в структуру металла, например, на место кальция или
магния, они ослабляют или полностью ликвидируют электростатические силы,
заставляющие кристаллы накипеобразователей прилипать к стальной поверхности. В результате такого взаимодействия твёрдые вещества накипеобразователей остаются в объёме кипящей воды иудаляются им котла во время его
верхнего или нижнего продувания.
Хорошим примером эффективности действия полимеров в предотвращении
накипеобразования в паровых котлах является опыт использования графитольняной эмульсии (смесь графитового порошка с льняным семенем). Эта суспензия заливается в тёплый ящик котельной установки и вводится в котловую воду в
процессе эксплуатации котлоагрегата.
Теоретические изменения жёсткости котловой воды при продувке котла ( ΔЖк)
могут быть определены по формуле:
( D кτ − G пр ) Ж п . в − G пр Ж к пр
ΔЖ к =
Gк
,
(23)
где Dк – паропроизводительность котла, кг/ч; τ - время между продувками, час; Gпр
– количество продуваемой воды, кг; Жп.в – жёсткость питательной воды, мг-экв/кг;
Жкпр- жёсткость продуваемой воды (выходящей из котла), мг-экв/кг; Gк – количество котловой воды, кг.
24
2.5. Обработка воды комплексонами
Комплексонные водные режимы относятся ко второй группе химических
методов водообработки. В отличие от водных режимов первой группы они
обладают существенным преимуществом – не ведут к шламообразованию в
котловой воде и соответственно к образованию вторичных накипей.
Механизм предотвращения накипеобразования в этих водных режимах заключается в переводе катионов-накипеобразователей в комплексные анионы
хорошо растворимых соединений. Препараты, образующие в растворах комплексные ионы, в состав которых входят атомы металла, называют легандами.
Из широкого перечня легандов, известных в химии, для обработки котловой
воды применяют гексаметафосфат и трилон Б.
При дозировке в котловую воду гексаметафосфата (NaPO3)6 его реакция со
щелочноземельными металлами идет в сторону образования комплексных
анионов, которые захватывают ионы кальция:
(NaPO3) 6 + СаСО3 → Са (РО3)6 Na4+ Na2CO3 ;
Ca(PO3)6 Na4
[Ca(PO3)6]-4 + 4Na+ ;
(24)
Na2CO3 + H2O
NaHCO3 + NaOH
Образовавшиеся комплексы способны к «захвату» окислов железа, которые
обычно присутствуют в котловых водах. В присутствии гексаметафосфата резко замедляется скорость медного накипеобразования, а зона тепловых нагрузок, при которых образуются медные накипи, сдвигается в зону q= 450 кВт/м2.
Из формул (24) видно, что реакция связывания кальция гексаметафосфатом
идет с образованием избыточной щелочи. Поэтому такой водный режим требует защиты котельного металла от щелочной коррозии, например, нитратами (см. разд. 3.4).
Суточную дозировку гексаметафосфатов можно высчитать по следующей
формуле, кг/сут:
Gгмф= 24 Dп.в / 106С × (366Жп.в+ ϕ [РО43-] ).
(25)
Здесь DП.В – подача питательной воды (паропроизводительность котла),
кг/ч; С = 0,95 – концентрация чистого гексаметафосфата в техническом продукте; Жп.в – общая жесткость питательной воды, мг-экв/кг; ϕ – коэффициент
продувания котла; [РО43-] – защитная концентрация фосфат-иона в котловой
воде, мг/кг, которую принимают по нормам качества котловой воды (см.
табл. 1).
Расчет по формуле (24) показывает, что рабочие дозировки гексаметафосфата более чем на порядок превышают дозировку тринатрийфосфата. Это свидетельствует о том, что применять водный режим с гексаметафосфатом можно
только при хорошем качестве питательной воды, когда добавочную воду применяют в виде дистиллята после опреснительных установок.
Трилон Б является двузамещенной натриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты, которая включает 4 метилкарбоксильиые группы – СН3 – СО –
ОН, две из которых связаны с ионами водорода, а две – с ионами натрия, и две
функциональные группы, в состав которых входит по одному иону азота. Ре-
}
25
акцию взаимодействия трилона Б с кальцием в ионном виде условно записывают следующим образом:
Н2RNa2 + Ca2+ → H2RCa + 2Na+;
H2RNa222H+ + RNa22- , H2RCa
2H+ + RCa2- , }
(26)
22где RNa2 и RCa – условная запись комплексных анионов-трилонатов натрия и кальция соответственно.
Устойчивость трилонатов металлов различна и зависит от реакции среды.
Трилонаты кальция и магния наиболее устойчивы в слабощелочной среде, в то
время как трилонаты железа термически стабильны только в кислой среде.
Комплексообразование указанных металлов идет и при других значениях рН
среды, однако устойчивость комплексонатов будет меньшей. В этих условиях
металл в трилонате может вытесняться другим металлом, для которого реакция среды предпочтительнее. Поэтому при обработке котловой воды трилоном Б одновременно идут несколько параллельных реакций комплексования
и вытеснения металлов из трилонатов.
При избытке трилона Б в котловой воде против стехиометрического значения по отношению к примесям питательной воды параллельно со связыванием
ионов питательной воды идет растворение отложений, вытеснение железа из
трилонатов кальцием и кристаллизация железа на поверхности металла в виде
защитной пленки γ - окислов – магнетита Fe3O4.
Расход трилона Б на коррекцию водного режима можно высчитать по следующей формуле, кг/сут:
Gт.б = 24Dп.в / 106С × (188Жп.в. + 6,7[Fe2O3]п.в + 6[CuО]п.в), (27)
где С = 0,95 – концентрация чистого трилона Б в техническом продукте; Жп.в –
общая жесткость питательной воды, мг-экв/кг; [Fe2O3]п.в и [СuО]п.в – концентрация окислов железа и меди в питательной воде, мг/кг, соответственно.
Расчет по формуле (27) показывает, что рабочая дозировка трилона Б
почти на порядок превышает дозировку тринатрийфосфата. Учитывая высокую стоимость трилона Б, необходимо отметить, что этот водный режим рационально применять только в котлах с высокими параметрами пара, большой производительности, при высоком качестве добавочной воды по ионам
жесткости.
2.6. Удаление из воды коррозионно-активных газов (деаэрация)
Основной целью удаления газов из питательной воды является предотвращение коррозии котельного оборудования и всего конденсатно-питетельного
тракта СЭУ. Деаэрации подвергается, как правило, вся питательная вода,
поступающая в паровые котлы. Такие газы, как азот, кислород и углекислый
газ (в небольших количествах), попадают в воду вследствие ее контакта с воздухом. В значительных количествах СО2 может появиться в воде при Нкатионировании.
С точки зрения предотвращения коррозии содержащиеся в воде газы
могут быть вредными, безвредными или полезными. Это зависит от типа энергетической установки, условий её эксплуатации и концентрации газов. Так,
26
например, в установках на органическом топливе наличие азота и водорода
не приводит к возникновению и развитию коррозионных процессов. В то же
время в ядерных энергетических установках с водоохлаждаемыми реакторами наличие водорода в воде первого контура является полезным и необходимым. Водород связывает кислород и подавляет диссоциацию воды, происходящую под действием радиации. А присутствие такого нейтрального газа, как
азот, в ядерных установках недопустимо. Под действием радиации азот реагирует с водородом и кислородом и образует азотную кислоту.
Наличие водорода в рабочей среде паротурбинных установок на органическом топливе свидетельствует о протекании коррозионных процессов.
Такие газы, как О2, СО2, SO2 и H2S практически всегда стимулируют коррозионные процессы и подлежат по возможности более полному удалению.
Аммиак (NH3 ) появляется в воде, как правило, вследствие его преднамеренного введения. Сернистый ангидрид (SO2) и сероводород (H2S) образуются
в котловой воде паровых котлов высокого давления при разложении сульфита натрия, если его применяют для химического обескислороживания питательной воды.
Для удаления из питательной воды коррозионно-активных газов в СЭУ с
ПТУ обычно используют последовательно два метода: термическую деаэрацию и, если необходимо, – её химическое обескислораживание.
Для вспомогательных паровых котлов ограничиваются применением
только химических реагентов. При этом стремятся использовать систему
питания закрытого типа.
2.6.1. Термическая деаэрация. Термическая деаэрация основана на снижении растворимости газов в воде при снижении давления и повышении
температуры в соответствии с законом Генри (уравнение 7). Согласно этому закону, концентрации растворенных газов относятся между собой, как их парциальные давления С/С0 = р/р0 или С = С0·р/р0. Из этого выражения следует,
что содержание газа в воде будет равно нулю в случае, если его парциальное давление над жидкостью также будет равно нулю, т. е. р = 0. Другими
словами, для полной деаэрации воды необходимо создать над водой атмосферу, не содержащую коррозионно-активных газов. Этого в какой-то степени можно достигнуть путем непрерывного удаления воздуха из объема обрабатываемой воды при минимальном содержании в нём кислорода и углекислого
газа (см. рис. 4).
Снизить парциальное давление газа, в частности кислорода, можно
также, повысив температуру воды. В этом случае парциальное давление паров воды растет и при кипении становится равным общему давлению, в то
время как парциальное давление воздуха и кислорода снижается до нуля
(рис. 5).
Закон Генри относится к равновесному (установившемуся) состоянию системы. Между тем удаление газа из воды (десорбция) является процессом, протекающим во времени. Поэтому конечная концентрация газа в воде Ск при
десорбции будет зависеть, кроме начальной концентрации Сн, от продолжи27
τ и от удельной поверхности раздела жидкой и
C
Cн
ln Cк = Af τ или Cк = τ .
тельности процесса дегазации
парогазовой фаз f :
н
e Af
Рис. 5. Зависимость парциального давления воздуха (1), кислорода (2)
и водяных паров (3) от температуры воды при атмосферном давлении
На основании вышеизложенного можно сформулировать основные требования к деаэратору как теплообменному аппарату смесительного типа,
предназначенному для удаления газов из воды. В деаэраторе должны быть
обеспечены следующие условия:
• нагрев воды до кипения;
• непрерывный и полный отвод выделяющихся газов;
• как можно большая поверхность соприкосновения паровой и жидкой фаз;
• как можно более продолжительный контакт между водой и паром, не содержащим удаляемых газов.
По способу нагрева обрабатываемой воды деаэраторы могут быть смесительного (см. рис. 6) и поверхностного типов.
В зависимости от давления, при котором осуществляется удаление газа
из воды, деаэраторы делят на. вакуумные (р <0,1 МПа), атмо сферн ые
и повышенного давления (р = 0,15–0,3 МПа).
Давление греющего пара в деаэраторе определяется тепловой схемой судовой энергетической установки. Чаще всего деаэратор служит второй ступенью подогрева питательной воды и выполняется либо атмосферного, либо
повышенного давления.
Перечисленным требованиям наиболее полно отвечает двухступенчатый
деаэратор (рис. 6).
Пар движется навстречу струям воды, частично конденсируется и нагревает обрабатываемую воду до температуры кипения. При этом из воды выделяется газ, который захватывается оставшейся частью пара. Смесь газа и
пара, называется выпаром. Выпар под давлением выходит из верхней части ко28
лонки в охладитель выпара. Здесь пар конденсируется, отдавая теплоту обрабатываемой воде, а газ через специальный воздушный клапан удаляется в
атмосферу.
Рис. 6. Схема двухступенчатого деаэратора: 1 – деаэрационная колонка; 2 – регулятор
подачи греющего пара; 3 – бак-аккумулятор; 4 – барботажное устройство; 5 – регулятор
уровня воды; 6 – охладитель пара
Вода, стекающая из колонки 1 в бак 3, содержит еще некоторое количество
растворенного газа и мельчайших его пузырьков. Причина этого – незначительное время пребывания воды в колонке и эжектирующая способность
струй. Для обеспечения глубокой деаэрации воду выдерживают в баке 3 в течение нескольких минут при температуре насыщения. При этом с помощью
барботажного устройства 4 через воду пропускают острый пар, поступающий
обычно из отбора от турбины высокого давления, что способствует лучшей
деаэрации питательной воды.
Как видно, деаэратор является одновременно и подогревателем питательной воды и емкостью с её запасом.
В некоторых типах деаэраторов для увеличения поверхности контакта воду
в колонке распыливают специальным устройством (форсункой).
Если деаэратор работает под вакуумом, отсос выпара производится эжектором выпара, создающим одновременно вакуум в деаэраторе.
В последнее время в судовых ПТУ с парогенераторами среднего и высокого давления отказываются от применения деаэраторов.
Как известно, в главном конденсаторе паротурбинной установки парциальное давление газов над поверхностью конденсата оказывается низким на
большей части пути конденсирующего пара. Температура конденсата близка к
температуре насыщения. Поверхность соприкосновения конденсата с паровой
средой достаточно большая. Поэтому правильно сконструированный конденсатор должен обеспечивать глубокую деаэрацию воды и деаэратор, как элемент паро-конденсатного контура становится не нужным.
29
Основным недостатком, уменьшающим деаэрационную способность конденсатора, является переохлаждение конденсата, которое сопровождается насыщением его кислородом. Поэтому температуру переохлаждения конденсата
обычно автоматически поддерживает конденсационная система конденсатора.
2.6.2. Химическое обескислороживание питательной воды получило
широкое распространение на морских судах в установках глубокой утилизации тепла уходящих газов (УГУТ). Эти установки комплектуются открытыми
системами питания котлов, что ведет к существенному загрязнению питательной воды кислородом и к интенсивной кислородной коррозии змеевиков утилизационных паровых котлов. Применять сложную систему термической деаэрации питательной воды в этих случаях нецелесообразно из-за существенного
усложнения УГУТ. Поэтому для защиты металла от кислородной коррозии в
УГУТ применяют химическое обескислороживание питательной воды с использованием гидразина-гидрата (N2H4·H2O). Реакция связывания кислорода воздуха гидразином-гидратом имеет вид:
N2H4·H2O + O2 = 3H2O + N2 .
(28)
Гидразингидрат представляет собой маслянистую прозрачную жидкость
со специфическим запахом (нашатырного спирта), которая при высоких концентрациях гидразина дымит на воздухе. Концентрированные растворы гидразина (N2H4) чрезвычайно токсические, взрыво- и пожароопасные. При концентрациях менее 40% они пожаробезопасны. Поэтому на суда гидразин поставляют в виде 20%-ного водного раствора.
Суточную дозировку гидразина-гидрата рассчитывают по результатам анализа питательной воды в зависимости от паропроизводительности котла:
Gгг = 1,1 · 24 Dп.в / 106 С × (3 [О2] п.в + 0,3 [Fe2O3] п.в + 0,15 [СuО] п.в), (29)
где 1,1 – избыток дозировки, необходимый для подщелачивания конденсатов
аммиаком; Dn.в – фактический расход питательной воды, кг/ч; С = 0,2 – концентрация чистого гидразина-гидрата в техническом препарате, поставляемом на суда; [О2 ]п.в , [Fe2O3 ]п.в , [CuO]п.в – концентрации соответственно кислорода, окислов железа и меди в питательной воде, мг/кг.
Водный режим котлов, основанный на дозировке гидразина-гидрата, называют гидразинно-аммиачным, т. к. одновременно с химическим обескислороживанием питательной воды при дозировке гидразина идет подщелачивание
парового и конденсатно-питательного тракта аммиаком. При этом резко снижаются скорость коррозии конденсатно-питательного тракта и соответственно внос окисного шлама в котлы с питательной водой.
Гидразинно-аммиачный водный режим не позволяет защитить поверхности
нагрева от щелочноземельных накипей. Поэтому на судах при обслуживании
утилизационных котлов одновременно с гидразином вводят тринатрийфосфат.
Дозировку тринатрийфосфата рассчитывают по формуле (19).
При водном режиме с химическим обескислороживанием дозировку препаратов следует вести в соответствии с режимом подачи питательной воды в котел, чтобы равномерно обработать весь поток воды. При постоянной подпитке
котлов ведут постоянную дозировку; при периодической – дозировку следует
вести параллельно с подачей питательного насоса.
30
В последние годы на судах получил распространение импортный препарат
AGK-100. Его готовят на 20%-ном растворе гидразинагидрата с добавкой катализатора для интенсификации реакции связывания кислорода, гексаметафосфата и летучего амина (морфолина). Последний компонент входит в AGK-100
для пассивации металла от коррозии во время бездействия котлов.
Химическое обескислороживание питательной воды применяют в качестве
дополнительного метода к термической деаэрации воды в схеме её регенеративного подогрева ПТУ. После деаэратора содержание кислорода в питательной воде может достигать 0,02 – 0,05 мг/кг. Более глубокого обескислороживания воды (до значений 0,01 – 0,02 мг/кг) можно достичь после деаэратора химическими реагентами.
На морских судах кроме гидразина для удаления кислорода используют более дешёвый сульфит натрия (Na2SO3). Его применение основано на том, что
он вступает в реакцию с кислородом и окисляется до сульфата в соответствии
с уравнением:
2Na2SO3 + O2 = 2Na2SO4.
(30)
В результате связывается кислород и увеличивается солесодержание воды
(сухой остаток). Поэтому сульфит натрия применяют для котлов с давлением
пара до 6,0 МПа и очень редко для котлов высокого давления, т. к. при давлении в котле выше 6,0 МПа в котловой воде происходит разложение сульфита
натрия с образованием агрессивных газов SO2 и H2S.
Расход Na2SO3 для обработки 1 м3 воды, содержащей незначительное количество кислорода (обычно после термической деаэрации), можно определить,
пользуясь соотношением
G Na SO = 8 C О ,
(31)
где C О – содержание кислорода в обрабатываемой воде, мг/кг.
При обработке питательной воды с высоким содержанием кислорода (при
отсутствии термической деаэрации) расход сульфита натрия
G Na SO = 10 C О .
(32)
Обычно 2–10% раствор Na2SO3 вводят в питательный трубопровод на достаточном расстоянии от экономайзера. Это обеспечивает полное окисление
сульфита с кислородом питательной воды до поступления её в экономайзер.
2
3
2
2
2
3
2
3. Обработка воды в ионообменных фильтрах
(химическое обессоливание)
Обработка воды методом ионного обмена основана на способности некоторых веществ (ионитов), практически нерастворимых в воде, изменять её
ионный состав. При фильтрации воды через слой зернистого ионита происходит обмен ионов содержащихся в ней солей на эквивалентное количество
ионов ионита, в результате чего меняется ионный состав воды и ионитов.
Если в результате обработки воды идет обмен катионами, то процесс называют катионированием, а ионообменный материал – катионитом. При обмене анионов процесс называют анионированием, а ионообменный материал
– анионитом. Основу молекул ионитов составляет твёрдая нерастворимая в воде высокомолекулярная сетка 1 (рис. 7). Кроме неё, в состав ионитов входят химически активные
31
функциональные группы атомов, способные к диссоциации на ионы. Одна часть этих ионов (положительных или отрицательных) оказывается прочно связанной с твёрдой сеткой
и придает ей соответствующий заряд (потенциалообразующие ионы 3). Другая часть ионов
с противоположным зарядом при набухании в воде ионитов имеет некоторую подвижность (диссоциируют на ограниченно подвижные, обменные ионы) и образует ионную атмосферу или диффузионный слой 2.
КтRк
Кт+ Rк-, RаАн
Rа+ Ан- ,
где Кт+ и Ан- – подвижные катионы и анионы; Rк- и Rа+ – высокомолекулярные неподвижные каркасы частиц ионитов.
Рис. 7. Структура макромолекул катионита (а) и анионита (б):
1 – твёрдый многоатомный каркас; 2 – ограниченно подвижные ионы активных групп,
способные к обмену; 3 – связанные с каркасом неподвижные ионы активных групп
Ионы диффузионного слоя обладают повышенной кинетической энергией и
могут вырваться из ионной атмосферы, перейти в раствор. Эти ионы и являются обменными. Из раствора в ионную атмосферу в свою очередь могут поступать другие ионы того же знака.
В зависимости от вида обменного иона па морских судах применяют катиониты в Н-форме или в Na-форме, а анионит – в ОН-форме. Реакции ионного
обмена в ионитах разной формы идут следующим образом:
2Н+ IRк - + CaSO4 → Ca2+IRк2- + H2SO4;
(33)
+
2+
22Na IRк + CaSO4→ Ca IRк + Na2SO4;
(34)
+
2+
22Ra IOH + CaSO4 → Ra ISO4 + Ca (ОН)2;
(35)
+
2+
22Ra IOH + H2SO4 → Ra ISO4 + 2H2O ,
(36)
+
+
+
где Н IRк – катионит в Н-форме; Nа IRк – катионит в Na-форме; Ra IOH- –
анионит в ОН-форме.
Аналогично идут реакции ионного обмена с другими растворенными солями. Движущей силой ионного обмена является молекулярная диффузия на поверхности разбухших ионов ионитов.
При фильтрации природной воды через Н-катионитовый фильтр общее солесодержание фильтрата уменьшается, т. к. эквивалентная масса ионов водорода меньше массы других катионов. Вода приобретает кислую реакцию из-за появления в фильтрате свободных кислот. Электропроводность фильтрата значительно выше, чем у исходной воды, т. к. подвижность ионов водорода существенно больше, чем у других катионов.
При фильтрации природной воды через Na-катионитовый фильтр общее солесодержание воды несколько возрастает, т. к. эквивалентная масса ионов на32
трия больше, чем у ионов магния. Вода приобретает щелочную реакцию за счет
бикарбоната натрия – формула (34). Удельная электропроводность воды почти
не меняется.
При фильтрации природной воды через ОН-анионитовый фильтр общее солесодержание уменьшается, т. к. эквивалентная масса ионов ОН- меньше массы
других анионов. Вода приобретает щелочную реакцию из-за свободных щелочей – формула (35). Удельная электропроводность фильтрата больше, чем у исходной воды, т. к. подвижность ионов ОН- существенно больше, чем у остальных анионов.
При фильтрации через ОН-анионитовый фильтр Н-катионированной воды
(Н-катионированная вода содержит только смесь минеральных кислот Н2СО3,
H2SO4, HC1) общее солесодержание фильтрата стремится к нулю, продуктом
реакции является вода – формула (36). Реакция фильтрата близка к нейтральной, а удельная электропроводность существенно меньшая. Последовательную
обработку воды в Н-катионитовом и ОН-анионитовом фильтрах называют химическим обессоливанием воды.
Массу обменных ионов в 1 м3 ионита называют обменной емкостью (в гэкв/м3). По мере фильтрации воды обменные ионы расходуются, а иониты истощаются. Для восстановления обменной емкости иониты регенерируют. При
регенерации катионита в Н-форму его обрабатывают 3 – 4%-ным раствором
серной кислоты. Регенерацию катионита в Na-форму ведут 4 – 5%-ным раствором поваренной соли. Регенерацию анионита в ОН-форму ведут 4 – 5%-ным
раствором едкой щелочи. Реакции регенерации ионитов обратные реакциям рабочего цикла:
Ca2+ IRк2- + H2SO4 → 2H+IRк- + CaSO4;
(37)
2+
2+
Ca IRк + 2NaCl → 2Na IRк + CaCl2;
(38)
2+
2+
Ra ISO4 + 2NaOН → 2Ra IOH + Na2SO4 ;
(39)
После окончания регенерации продукты регенерации вместе с отработавшим регенерационным раствором удаляют из фильтра, а ионит промывают исходной водой. Таким образом, рабочий цикл ионитового фильтра включает: обработку исходной воды, регенерацию ионитов, взрыхление слежавшегося слоя
ионитов и промывку ионитов от регенерационного раствора.
На морских судах наиболее часто применяют обработку воды в Naкатионитовых фильтрах (рис.8).
Исходную воду подают в верхнюю часть фильтра, а фильтрат отбирают из
нижней части (рис. 8). По высоте засыпки катионита сверху вниз со временем
устанавливается три зоны:1–зона катионита, насыщенная ионами жесткости
Са2+ и Mg2+; 2 – зоны вытеснения натрия из катионита ионами кальция и магния; 3 – зона катионита, не участвовавшего в реакции ионного обмена. Теоретически по мере работы фильтра высота зоны 1 будет увеличиваться, зоны 3
уменьшаться, а зоны 2, приблизительно одинаковая по величине, будет смещаться вниз (рис. 8,а). Точка Б на рис. 6,б соответствует моменту времени, когда нижняя кромка зоны 2 опустится до нижней кромки катионита. Начиная с
этого момента, в фильтрат начнут проскакивать ионы жесткости. В последую33
щее время жесткость фильтрата будет расти и достигнет исходной (точка В)
при выработке всего катионита. Заштрихованную площадь на рис. 8,б
Рис. 8. Схема работы Na-катионитового фильтра:
I – исходная вода; II – обработанная вода
можно интерпретировать массой ионов жесткости, оставшейся в катионите за
время рабочего цикла фильтра. Отношение этой массы к объему засыпки катионита численно равно его полной обменной емкости, г-экв/м3:
ε0 =
FАБВГД
Vф
.
(40)
В реальном фильтре указанные зоны выглядят иначе (рис. 9, а и б).
Рис. 9. Расположение зон в идеальном (а) и
реальном (б) ионитовых фильтрах
На практике катионитовый фильтр
отключают на регенерацию в момент
времени, соответствующий точке Б,
когда только начинается проскок ионов
жесткости в фильтрат. Поэтому рабочая
обменная емкость катиопита всегда
меньше
полной
и
определяется
площадью АБГД (рис. 8,б), г-экв/м3:
εр =
FАБГД
Vф
.
(41)
В процессе Na-катионирования все катионы (за исключением ионов натрия
в исходной воде) растворенных солей замещаются ионами натрия, в эквивалентных массах:
2Na+IRк- + Са2+ → Са2+IRк2- + 2Na+;
2Nа+IRк- + Mg2+ → Mg2+IRк2- + 2Na+.
(42)
Поэтому катионная часть фильтрата включает главным образом ионы натрия, мг-экв/кг:
n
∑K
+
Т
+
+
2+
2+
= [Na ]ф= [Na ]п.в+ [Ca ]п.в + [Mg ]п.в .
(43)
1
34
Анионная часть фильтрата остается без изменений, мг-экв/кг:
m
∑A
Н
−
-
-
2-
= [НСО3 ]п.в+ [С1 ]п.в+ [SO4 ]п.в .
(44)
1
Таким образом, обработка воды в Na-катионитовых фильтрах фактически
представляет собой процесс умягчения. Натриевые соли, поступающие в котел
с фильтратом, опасности с точки зрения накипеобразования не представляют.
Поэтому дополнительно вводить в котлы антинакипины не нужно.
При подпитке котлов Na-катионированной водой бикарбонат натрия может
гидролизоваться с выделением свободной щелочи:
NaHCO3 → NaOH + CO2.
(45)
Поэтому при таком водном режиме в котловой воде всегда присутствует свободная щелочь NaOH и есть опасность щелочной коррозии металла.
Пассивность котельных сталей к щелочной коррозии определяется относительной щелочностью:
ЩО = ЩЧ/СС.
Численную величину относительной щелочности можно определять по ионному составу питательной воды:
ЩО = [НСО3-]п.в / [Na+]ф = [НСО3-]п.в / ([НСО3-]п.в+ [Cl-]п.в+ [SO42-]п.в). (46)
При ЩО ≤ 0,3 котельный металл пассивен к щелочной коррозии. Если
ЩО ≥ 0,3, в котельную воду следует вводить ингибиторы коррозии, например,
натриевую селитру.
В судовых условиях ориентировочную величину относительной щелочности
можно определить по результатам анализа котловой воды на рН и хлориды:
[ОН-] кв= 10-3 ·10-14 + рН мг-экв/кг;
ЩО = [ОН-]к.в / [Cl-]к.в .
(47)
Регенерация ионитов основана на обратимости реакций ионного обмена.
Она осуществляется путём фильтрации через слой ионита раствора реагента,
содержащего ионы, необходимые для насыщения ионита.
Регенерацию Na-катионитовых фильтров на судах ведут забортной водой от
системы забортной охлаждающей воды. Процесс регенерации обычно совмещают с процессом взрыхления ионита подачей регенерационного раствора против тока воды рабочего режима. Продолжительность регенерации обычно составляет 3 – 5 ч. В это время котел подпитывают водой, минуя катионитовый
фильтр.
Межрегенерационный период Na-катионитового фильтра (в часах) подсчитывают по объему катионита, загруженного в фильтр, Vф :
τр =
10 3 ε РVф
24 Dп . в Ж п . в
,
(48)
где ε Р = 800 г-экв/м3 – рабочая обменная емкость катионита КУ-2/8, по эксплуатационным данным; Dn.в – рабочая паропроизводительность котла, кг/ч; Жп.в –
общая жесткость питательной воды, мг-экв/кг.
Установка химического обессоливания, состоящая из одного фильтра смешанного действия, загруженного смесью зёрен Н+-катионита и ОН—анионита,
проста и компактна.
35
4. Безреагентные методы водоподготовки
Применение эффективных химических методов водоподготовки, широко
используемых в стационарной энергетике, для судовых котельных установок в
большинстве случаев является экономически нецелесообразным. Из-за относительно малой паропроизводительности судовых паровых котлов и невысоких
параметров пара. Рациональное решение проблемы водоподготовки в этом случае может быть достигнуто безреагентными методами, т. е. воздействием на
питательную воду физических полей, например, магнитным, электростатическим или ультразвуковым. Наиболее простым является магнитная обработка.
Ещё в 1945 году бельгийский инженер Вермейрен запатентовал устройство
для обработки питательной воды в постоянном магнитном поле (аппарат фирмы «СЕРI COMAW» фирмы «EPURO», Антверпен, Бельгия, рис. 10, а). Здесь,
движущийся поток природной воды в стальном корпусе аппарата омывал установленный внутри постоянный магнит (перпендикулярно его магнитным силовым линиям) и приобретал, тем самым, свойство – не образовывать в течение
суток накипи на поверхности нагрева котла или теплообменного аппарата. При
этом считалось, что эффективность такой магнитной обработки воды прямо
пропорциональна величине напряжённости магнитного поля. Поэтому в первых
конструкциях магнитных противонакипных устройств (МПУ) напряжённость
постоянного магнитного поля в рабочем зазоре (между полюсами магнита 5-6
мм) достигала 60000 эрстед. В дальнейшем это и явилось их основным недостатком, т. к. сравнительно быстро этот зазор заиливался налипавшими в нём
ферромагнитными частицами (магнетита и т. п.), гидравлическое сопротивление питательного трубопровода неизбежно возрастало и требовало срочной
очистки, что в судовых условиях не всегда было возможным произвести.
а)
б)
Рис. 10. Типы магнитных противонакипных устройств (МПУ):
а – конструкция МПУ с внутренним расположением магнитов;
б – МПУ с внешним расположением постоянных магнитов
На танкерах типа «Самотлор» для обработки питательной воды паровых
котлов использовалась разборная конструкция МПУ норвежской фирмы
«POLAR» (рис. 11). В процессе эксплуатации этих МПУ на судах указанной серии рабочий зазор между сердечником разборного семиполюсного постоянного
магнита и корпусом МПУ настолько забивался ферромагнитными частицами,
что проход питательной воды через него прекращался (рис. 12). Поэтому для
МПУ с внутренним расположением магнитов в питательной системе котла
36
обычно предусматривается предвключённый механический (сетчатый) или
магнитный фильтр, а также участок обводного трубопровода (байпас) с соответствующей запорной арматурой для отключения МПУ от питательной системы в случае возникающей необходимости вывода его на очистку.
Магнитный зазор
Рис. 11. конструкция МПУ фирмы «POLAR»:
1 – входной патрубок; 2 – болты крепления входного и выходного патрубков; 3 – входной
распределитель воды; 4, 10 и 12 – кольцевое резиновое уплотнение; 5 – кольцевой бариевый
магнит; 6 – сборка из семи кольцевых магнитов с прокладками из текстолита между ними
(внутренний магнит, сердечник); 7 – стальной корпус (наружный магнитопровод); 8 – центрующий наконечник с отверстиями выходного патрубка; 9 – стягивающий болт магнитной
сборки; 11 – направляющее кольцо выходного патрубка; 13 – фланец выходного патрубка
Стремление зарубежных авторов к увеличению напряжённости магнитного
поля при обработке воды было связано с традиционным понятием о магнетизме, т. е., чем сильнее поле, тем надёжнее оно воздействует на воду и её примеси
и тем больше должен быть противонакипный эффект. Как показала практика,
это не всегда так. Напряжённость магнитного поля приходится подбирать в каждом конкретном случае в зависимости от химического состава питательной
воды, основываясь на большом числе экспериментальных данных, полученных
37
в лабораторных условиях или на промышленных объектах. Нами установлено,
что большое значение на эффективность магнитной обработки также оказывает
место установки МПУ в питательной системе котлоагрегатов, где температура
воды не должна превышать 30 оС. В этом случае эффективность обработки всегда была выше. Обработка воды при температурах выше 50 оС, по-видимому,
оправдана, когда её состав в состоянии близком к пресыщению по какому-либо
из накипеобразователей.
С другой стороны, магнитная обработка горячей воды требует применения в
МПУ термостойких неферромагнитных конструкционных материалов (труб).
Так, из-за неправильного выбора материала корпусов МПУ (полипропилена для
корпуса аппарата) и места установки МПУ в питательной системе котлов магнитная обработка питательной воды для паровых газотрубных котлов на рыбопромысловых судах типа СРТМ-800 безвозмездно ликвидирована.
Большинство положительных результатов от внедрения магнитного метода
водоподготовки получены при использовании разработанного нами МПУ с
внешним расположением источника магнитного поля по отношению к неферромагнитной питательной трубе и напряжённостью в рабочем зазоре магнита от
300 до 2500 эрстед, т. е. сравнительно слабых по напряжённости поля постоянных магнитов (рис. 9,б).
Рис. 12. Общий вид рабочего
зазора МПУ типа «Polar»:
1 – корпус МПУ; 2 –
разборный
шестиполюсный
постоянный магнит;
3 – осевшие из воды в рабочем
зазоре МПУ ферромагнитные
частицы
Конструкция испытанного
нами МПУ с постоянным
магнитом от судовой РЛС
типа «Дон» или «Наяда»
представлена на рис. 13.
Как показала практика
внедрения МПУ на морских транспортных судах целесообразно использовать
магнитный метод обработки питательной воды для судовых водоопреснительных установок (МОВ). Техническое решение этой проблемы весьма простое.
Так, в отечественных опреснителях типа «Д4У» судов типа СА-15, как показано
на рис. 14, целесообразно использовать постоянные магниты от магнетронов
судовых РЛС, установив их на вертикальном участке штатного питательного
трубопровода забортной воды после стеклянного ротаметра перед регулирующим клапаном подачи морской воды в опреснитель.
38
Рис. 13. Конструкция МПУ с внешним расположением трёхполюсного постоянного магнита типа МИ-500 или МИ-189Б от судовых радиолокационных станций типа «Дон» или
«Наяда»: 1 – неферромагнитная труба Ду40 (нерж. сталь или латунь); 2 – магнит; 3 – неферромагнитная шпилька; 4 – гайка (М6); 5 – центральный дополнительно изготавливаемый полюс площадкой 20×40 мм (из электротехнической стали); 6 – прижимная пластина; 7 – присоединительный фланец (желательно неферромагнитные) или штуцер
Для обеспечения равномерности потока жидкости в питательной трубе при
магнитной обработке необходимо использовать только восходящее направление движения обрабатываемой жидкости. При этом материал питательной трубы, где устанавливаются постоянные магниты, опять же должен быть немагнитным, т. е. из нержавеющей стали, меди, латуни или пластмассы. В штатных
условиях для указанного типа судов он выполнен из нержавеющей стали.
1
Рис.
14.
Общий
вид
опреснительной установки типа Д4У
т/х «Амдерма» (ОАО ДВМП) с
постоянными
магнитами
на
вертикальном участке питательного
трубопровода: 1 – постоянные
магниты от магнетронов типа МИ
189Б, закрепленные при помощи
шпилек с гайками на трубе из
нержавеющей стали
Что же касается механизма
процесса магнитной обработки
воды, то в науке до настоящего
времени ему нет чёткого и
достоверного объяснения.
Исходя из современных представлений о структуре воды, как жидкости (работы Вернона, Фрэнка и Вена, Бернала и Фаулера, Полинга, О. Я. Самойлова,
39
Ю. И. Наберухина и др.), она представляет собой смесь льдоподобных «твердых частиц» и истинно жидких молекул, где водородосвязанные молекулы образуют каркасы в виде пятиугольных додекаэдрических многогранников. Согласно Дж. Поплу вода представляет собой деформированную решетку льда.
Отличие воды ото льда заключается в том, что в воде каждая водородная связь
может изгибаться независимым образом, во льду же все четыре связи каждой
молекулы изгибаются одновременно. По Полингу с повышением температуры
изогнутость водородных связей растет, и отдельные молекулы оказываются в
состоянии даже заполнить пустоты в льдоподобной структуре.
Весьма существенными для развития теории водных растворов явились
представления О. Я. Самойлова, связанные с заполнением структурных (промежуточных) пустот льдоподобного каркаса свободными молекулами, и о подвижности молекул воды вблизи ионов (положительная и отрицательная гидратация).
При взаимодействии ионов кальция с молекулами воды по гипотезе Кисловского Л. Д. энергетически наиболее выгодно образование гексааквакомплекса
кальция [Ca(H2O)6]2+ (см. рис.1). При этом выделяется 151 ккал/моль, тогда как
при присоединении четырех молекул воды потребляется 50 ккал/моль. Если каким-либо воздействием добиться того, что ион кальция останется наедине с малым количеством молекул воды, то образуется гексааквакомплекс. При этом
входящие в него молекулы воды из-за изменения их электронной конфигурации
теряют способность устанавливать водородные связи с молекулами окружения
– гидрофобизируются. Возникает метастабильный гексааквакомплекс, который,
имея размеры, соответствующие полостям додекаэдрических структур воды,
стабилизирует такие структуры и стабилизируется сам (рис. 1). Время метастабильного состояния возрастает при этом до многих часов.
Нами установлено, что стабилизация клатратных метастабильных структур
при МОВ может осуществляться и углекислым газом, который является дополнительным стабилизатором.
Анализ экспериментальных результатов, полученных нами по МОВ, позволяет сделать вывод о том, что признаки структурированности жидкости углекислым газом после воздействия на неё импульса магнитного поля определяются существованием в ней совокупности блоков с кристаллической структурой
(газовых гидратов структуры I), разделенных неупорядоченной средой. При
этом размеры блоков и их структура зависят от изменения внешних условий
(величин скорости потока жидкости и напряженности магнитного поля). Типы
молекул, которые могут просачиваться (перколировать) в полости клатратной
(каркасной) додекаэдрической структуры воды, очень разнообразные. Они
включают такие газы, как: О2, N2, СН4, С2Н2, СН3ОН, НСl, СО2, SO2 и др., у которых константа элементарной ячейки (размеры газгидрата) находится в пределах 11,96 – 12,12 Ǻ (ангстрем, 1·10-10м).
Известно также, что при обычных условиях (без МОВ) кристаллизация газгидратов в воде протекает при температурах от +1 до +20 оС. Молекулы газа,
заполняя полость в структурной молекуле воды, прекращают свое свободное
движение (стабилизируются), и, несмотря на свою летучесть прочно в ней
40
удерживаются. При этом отмечается, что образование клатратного соединения
происходит без участия водородных связей или полярных сил притяжения между молекулами газа и молекулами воды.
С учетом важности углекислотного равновесия при МОВ нами экспериментально исследованы кинетика растворения углекислого газа в обычной и магнитообработанной воде, а также и растворимость в ней основных природных
накипеобразующих веществ. Установлено также влияние магнитообработанной
воды на пористо-капиллярную структуру ранее образованных котельных накипей. При проведении этих исследований была принята гипотеза об образовании
в водной среде метастабильных газгидратных структур на основе СО2 под действием импульса магнитного поля. Эти исследования показали, что природная
вода после магнитной обработки в диапазоне изменения напряженности магнитного поля от 23,9·103 до 159,0·103 а/м значительно быстрее растворяет соли
и СО2, чем обычная вода и увеличивает суммарную пористость ранее образованных накипных отложений на 10 – 20 %. Этого оказывается достаточно, чтобы качественно установить эффект воздействия МОВ на водную систему, который носит полиэкстремальный характер (рис. 15).
В результате магнитной обработки питательной воды (МОВ) кристаллизация накипеобразующих солей при её нагреве происходит уже в объёме экономайзера или под зеркалом котловой воды в пароводяном коллекторе котла.
Рис. 15. Кривые изменения суммарной пористости ε и относительной пористости ρ
твердой фазы отложений после контакта их с водопроводной водой, обработанной
в постоянном магнитном поле при скорости потока 0,5–1,0 м/с [158]: 1 – кривая,
полученная методом определения удельного веса; 2 – кривая, полученная методом
ртутной порометрии образцов одних и тех же накипных отложений
Кристаллизация протекает с образованием мелкодисперсного шлама, не
прикипающего к поверхности нагрева, как и гидроксилапатит при обработке
воды фосфатами. Это обстоятельство (или последействие магнитной обработки) ограничивает применение метода МОВ для паровых котлов среднего и высокого давления. Повышенное шламообразование, как следствие магнитной обработки питательной воды, вызывает необходимость чёткого контроля содер41
жания взвешенных веществ в котловой воде. Это вызывает необходимость увеличения продолжительности рекомендуемых продувок котловой воды верхним
и нижним продуванием, что естественно снижает термический к.п.д. паровых
котлов. Кроме того, уменьшается надёжность котлов из-за возможного образования на поверхности нагрева весьма рыхлых (с большим термическим сопротивлением) так называемых, вторичных накипей.
5. Технологии опреснения морской воды
Непригодность морской воды для хозяйственно-питьевых и технических
целей определяется её высоким солесодержанием. Оно в водах всех океанов
практически одинаково и составляет в среднем 35 г/л. Поэтому опреснение
морской воды может быть достигнуто либо удалением из неё солей без изменения её агрегатного состояния, например, фильтрацией или ионным обменом,
либо извлечением молекул чистой воды (Н2О) путём их испарения из рассола
или замораживанием последнего. При замораживании морской воды или опреснением её, например, газогидратным методом, соли из неё в виде твёрдой
фазы формируются на поверхности кристаллов льда и легко смываются небольшим количеством исходной или чистой воды. Очищенный такой промывкой лёд при таянии превращают в питьевую воду.
Наибольшее практическое применение на морских судах нашла термическая
дистилляция морской воды для получения пресной с утилизацией теплоты судовых энергетических установок.
5.1. Термические методы и установки опреснения морской воды
Принципиальная схема любой дистилляционной опреснительной установки проста и включает два теплообменника (испаритель и конденсатор) с обслуживающими их трубопроводами и арматурой. Тем не менее, в настоящее время существует не менее десяти различных видов судовых дистилляционных опреснителей, которые по основному признаку (способу испарения) делятся на
два типа: испарение воды может происходить либо при постоянном давлении,
либо при понижении давления в полости испарения предварительно перегретой
морской воды. В соответствии с этим различают испарители с постоянным давлением (кипящие) и расширительные (адиабатные).
Принципиальная схема судовой утилизационной вакуумной водоопреснительной установки (кипящего типа) типа «Д» представлена на рис. 16. Здесь
часть забортной воды, прокачиваемой через конденсатор, отводится на подпитку испарителя, а оставшаяся используется в качестве рабочей среды в эжекторе,
который предназначен для создания вакуума (~ 97%) и удаления паровоздушной
смеси из конденсатора, а также – рассола из продувочной трубы подогревателя.
Из общего количества поступающей в опреснитель морской воды в вертикальных трубках из мельхиора испаряется (при температуре 35 – 42оС) примерно от
20 до 50%. Оставшаяся часть её (в виде рассола) постоянно переливается в центрально-вертикальную трубу и отсасывается за борт эжектором. Одновременно
42
отсасывается и воздух из верхней полости корпуса опреснителя. Вторичный
пар, освобождаясь от влаги, проходит через пластины сепаратора и поднимается
в верхнюю полость конденсатора, где конденсируется на его трубках, охлаждаемых забортной водой, и стекает в сборник конденсата.
Рис. 16. Принципиальная схема водоопреснительной установки типа «Д»:
1 – стеклянный ротаметр (расходомер); 2 – соленомер; 3 – трубопроводы подвода и отвода
греющей воды; 4 – трубопровод отвода конденсата греющего пара; 5 – трубопровод подвода
греющего пара; 6 – конденсатор; 7 – жалюзийный сепаратор вторичного пара; 8 – отбойник
влаги вторичного пара; 9 – рассольный эжектор; 10 – трубопровод отвода рассола; 11 – насос
забортной воды; 12 – нижняя трубная доска с кипятильными трубками; 13 – сборник дистиллята; 14 – насос откачки дистиллята; 15 – реле давления; 16 – электромагнитный клапан
Дистиллят откачивается в цистерну пресной воды, при этом его некоторая
часть проходит через датчик солемера, контролирующего электропроводность.
В случае превышения солёности более 8 мг/л солемер воздействует на электромагнитный клапан, который переключает поток дистиллята обратно в зону кипения рассола. Данная водоопреснительная установка имеет коэффициент продувания, равный трём. Поэтому только четвёртая часть забортной воды превращается в пар. Эти расходы контролируются стеклянными ротаметрами (расходомерами). Температура кипения рассола регулируется изменением расхода
греющей воды.
Опреснители с испарителями кипящего типа в большинстве случаев используются на транспортных судах, где небольшой экипаж и СЭУ с СДВС, как установки малой производительности (до 20 т/сут).
Для получения большого количества дистиллята, например, на пассажирских судах используются адиабатные опреснительные установки фирмы «Ни43
рекс» (рис. 17) с камерами испарения бесповерхностного типа, имеющими циркуляционный контур рассола и конденсатор смесительного типа.
Испарение морской воды в установке адиабатного типа происходит в испарителе за счёт резкого понижения давления после предварительного её подогрева, т. е. без подвода теплоты в зоне испарения. Поэтому в таких установках
меньше накипеобразование, чем в установках кипящего типа, у них более высокое качество дистиллята. Они более устойчивы в работе при колебаниях тепловой нагрузки.
Особенности установки (рис. 17) состоят в том, что подогреватель и охладитель дистиллята имеют пластинчатую конструкцию. Рассол из камеры испарения через подогреватель в камеру рассола подается правой секцией центробежного насоса 15, а его неиспарившаяся часть вновь поступает на подогреватель 2. Отделение капелек влаги от пара, образовавшегося в испарителе 3,
осуществляется в сепараторе 4. Далее пар поступает в конденсатор 5. Питательная (забортная) вода предварительно подогревается в охладителе дистиллята 6. Процесс конденсации вторичного пара в конденсаторе 5 осуществляется
путем его смешивания со струйками конденсата, который вытекает через
отверстия в днище бачка, расположенном сверху. Дистиллят из сборника
конденсатора с помощью левой секции дистиллятного насоса 14 прокачивается через охладитель 6 и снова направляется в конденсатор 5.
Рис. 17. Схема водоопреснительной установки типа «Нирекс»:
1 – трубопровод подвода греющей воды; 2 – подогреватель; 3 – камера испарения; 4 - сепаратор вторичного пара; 5 – конденсатор; 6 – охладитель дистиллята; 7 – трубопровод подвода
забортной воды; 8 – насос забортной воды; 9 – трубопровод продувания рассола; 10 - электромагнитный клапан; 11 – соленомер; 12 – расходомер; 13 – эжектор; 14 – дистиллятный
насос; 15 – насос продувания рассола
44
Полученный дистиллят сливается через переливную трубу, забирается
правой секцией насоса 14 и через расходомер 12 и подается в танк пресной воды. При увеличении солесодержания дистиллят через электромагнитный клапан 10 сбрасывается в льяла. Поддержание вакуума в опреснителе достигается с помощью водоструйного эжектора 13, подвод рабочей воды для которого
осуществляется насосом 8. При этом нижняя ступень насоса используется для
увеличения напора паровоздушной смеси, удаляемой за борт. Использование
теплообменных аппаратов пластинчатого типа из листового титана позволяет
уменьшить накипеобразование на них и размеры опреснительной установки.
5.2. Физические методы опреснения морской воды
К числу физических методов опреснения морской воды относятся электродиализ и гиперфильтрация, которые относятся к методам обработки без
изменения агрегатного состояния воды.
В основе метода опреснения электродиализом лежат процессы переноса
ионов растворенных в воде солей в электрическом поле, создаваемом погруженными в воду электродами. При этом ионы движутся в соответствии со
знаком их заряда: катионы – к катоду, а анионы – к аноду. При превышении на
электродах так называемого барьерного потенциала (1,22 В) ионы начинают разряжаться на контактных пластинах анода и катода. При этом на катоде восстанавливаются ионы металлов и ион Н+, образующийся в результате диссоциации молекул воды. После восстановления водород в газообразном
состоянии выделяется из опресняемой воды, а гидроксильные ионы [ОН-]
соединяются с ионами натрия, образуя щелочь. Одновременно в анодном пространстве происходит окисление ионов ОН-, С1- и S42- с выделением молекулярного кислорода и хлора и образованием серной и надсерных кислот.
Для предотвращения обратной реакции вблизи анодных и катодных пластин устанавливают пористые перегородки, через которые могут свободно
проходить ионы. Из образующихся при этом электродных камер непрерывно
удаляют воду. В современных электродиализаторах вместо инертных пористых перегородок применяются ионитовые (ионоселективные) мембраны, которые делятся на катионо- и анионоактивные: первые в электрическом поле пропускают катионы и практически не пропускают анионы, вторые пропускают
анионы и задерживают катионы. При этом процесс переноса ионов в камерах
электродиализатора приобретает строго направленный характер.
Метод опреснения гиперфильтрацией, или обратным осмосом, основан на
фильтровании воды через полупроницаемые мембраны, пропускающие воду,
но задерживающие сольваты. Сущность процесса связана с известным явлением осмотического переноса, который можно представить следующим образом. Если полупроницаемой мембраной разделены растворы различной концентрации (соленая и пресная вода), то молекулы воды будут переходить из
менее концентрированного раствора в более концентрированный, поскольку
их количество в единице объема пресной воды больше, чем в эквивалентном
объеме соленой воды. Этот переход молекул вызовет увеличение объема
45
концентрированного раствора, которое будет продолжаться до тех пор, пока
давление молекул воды с обеих сторон от мембраны не уравновесится. Разность уровней, соответствующая такому равновесному состоянию рассматриваемой системы, характеризует осмотическое давление. Последнее, таким образом, зависит от разности концентраций растворов по обе стороны мембраны; эта же разность концентраций является движущей силой осмотического
переноса воды через мембрану.
Для опреснения, т. е. снижения концентрации раствора, к нему необходимо приложить давление, превышающее осмотическое, и вызвать тем самым обратное фильтрование молекул воды, т. е. со стороны более концентрированного раствора к менее концентрированному.
Принципиальная конструкция гиперфильтрационных опреснительных установок весьма проста. Основным их элементом является собственно опреснительная ячейка, в которой на какой-либо несущей основе размещены полупроницаемые мембраны, изготавливаемые из ацетатцеллюлозы или других полимерных материалов. Мембраны могут быть уложены на плоские рамки, собраны в пакеты, нанесены на внутреннюю поверхность пористых: труб или
свернуты в рулон (рис. 18) и т. д. К мембранам подается морская вода и начинается процесс обратноосмотического переноса за счёт способности молекул воды при приложении высокого давления проникать через полимерную
мембрану. Это позволяет отводить от противоположной стороны мембран просачиваемую опресненную воду. При этом мембраны остаются практически непроницаемыми для большинства растворённых в воде солей, органических веществ, микроорганизмов и коллоидов. Степень такого опреснения зависит главным образом от солезадерживающей способности мембран. При достаточно
высоком её значении солесодержание исходной морской воды может быть снижено до 0,5–0,3 мг/л.
Мембранный рулон
Неопреснённая вода
Питательная
вода
Перфорированная
сборная труба
Опреснёная вода
Канал обессоливания
Рис. 18. Конструкция рулонного модуля обратноосмотической опреснительной ячейки
46
При пропускании морской воды через обратноосмотическую мембрану
под давлением (до 5,5 МПа) 1/5 часть её опресняется, а другая с повышенной
концентрацией солей сливается за борт, т. е. выход очищенной воды составляет не более 15–17 %. При предварительной очистке воды перед обратным
осмосом, например, ультрафильтрацией (мембранный процесс, осуществляемый при невысоком давлении для удаления из воды коллоидных, взвешенных частиц и микроорганизмов размером 0,005 – 0,1 мм) это значение может
быть доведено до 75–80 %.
Методы опреснения морской воды электродиализом и обратным осмосом
по своим технико-экономическим показателям пока уступают дистилляционным методам и могут быть применены на судах, где использование дистилляционных опреснителей затруднительно.
5.3. Водные режимы судовых испарителей
Водный режим судового испарителя забортной воды (опреснителя) в эксплуатационных условиях должен обеспечивать потребности судна в воде при
минимальной стоимости дистиллята. При обслуживании опреснителей, использующих острый пар от отбора турбины или от парового котла персонал уделяет
особое внимание: обеспечению чистоты вторичного пара при испарении морской воды; предотвращению при этом накипеобразования; обеспечению рабочей производительности испарительной установки; очистке испарительных поверхностей нагрева от возможных накипных отложений.
Чистота вторичного пара испарителей обычно зависит от подготовки обслуживающего персонала, условий эксплуатации испарителей и может отклоняться от нормируемой вследствие:
• чрезмерной производительности испарителя;
• повышенного уровня рассола в испарителе;
• малого коэффициента продувания и соответственно высокого общего солесодержания кипящего рассола;
• вспенивания или вскипания рассола;
• подсосов забортной воды через неплотности конденсатора испарителя;
• большой разности температур между рассолом и греющей средой.
Для нормальной работы испарителя необходимо поддерживать постоянным требуемый уровень кипящего рассола. С уменьшением его производительность испарителя падает из-за снижения общего коэффициента теплопередачи от греющей среды к кипящему рассолу. При работе на неоптимальных
уровнях удержать производительность можно только повышением параметров греющего пара или снижением давления в конденсаторе. Однако при этом
увеличивается разность температур между греющей средой и рассолом, что
может привести к интенсивному парообразованию, уносу капель рассола и загрязнению вторичного пара, а также – к накипеобразованию.
Одним из важных способов контроля водного режима испарителя является контроль режима продувания рассола из зоны его кипения:
47
ϕи =
Dпр
Dи
,
(49)
где ϕи – коэффициент продувки испарителя; Dпр – расход продувочной воды,
кг/ч; Dи – производительность испарителя по дистилляту, кг/ч.
Для испарителей, работающих на паре из отбора, коэффициент продувания обычно находится в пределах ϕи = 1 ÷ 2, а для глубоковакуумных испарителей ϕи =2 ÷ 3.
Контролировать режим продувания и поддерживать нормированную
концентрацию рассола можно с помощью расходомеров (стеклянных ротаметров) дистиллята, продувочного рассола и питательной воды.
Контролировать продувание можно также по плотности и температуре рассола и питательной воды с помощью ареометра (денсиметра) по номограмме,
прилагаемой к формуляру испарителя. Для глубоковакуумных испарителей
температура кипения рассола должна быть в пределах 35 – 42 оС.
ϕи =
В случае непрерывного продувания рассола
при периодическом продувании
ϕи =
СС о
СС ma [ − СС о
СС о
СС р − СС о
,
;
(50)
(51)
где ССо, ССр, ССmax – соответственно общее солесодержание морской воды, рассола и предельно допустимое солесодержание рассола, мг/л NaCl.
Практикой установлено, что для океанской питательной воды с общим солесодержанием ССо = 35 000 мг/л NaCl, качество вторичного пара будет находиться в пределах нормированных при ССр = 60 000 мг/л NaCl и ССmax= 90 000
мг/л NaCl.
По данным Коваленко В. Ф. и Сурина С. М. для предотвращения накипеобразования в испарителях существует несколько методов, однако все инструктивные материалы пароходств ММФ отдают предпочтение дозировке в питательную воду противонакипных присадок, которые условно можно разделить
на три группы:
• присадки с поверхностно-активными веществами («Беллоид Т. Д.», «Амероял» и др.), обладающие большой поверхностной активностью, образующие на поверхности нагрева полимерную гидрофобную плёнку, препятствующую адгезии и кристаллизации накипных отложений на поверхности нагрева испарителя;
• присадки, содержащие фосфаты («Хагеван Л. П.» и др.), которые создают
условия образования в кипящем рассоле не накипи, а шлама в виде гидроксилапатита, т.е. обладают ингибирующими свойствами к накипеобразованию и коррозии и включают триполифосфат или гексаметофосфат
(последний – для глубоковакуумных испарителей); их применяют вместе
с дубильными веществами;
• комплексные присадки, к которым можно отнести «Адмиралтейский состав» (смесь «Беллоид Т. Д.» и трилона «Б» –50/50%), EV-2 фирмы «Бирдарчер» (тринатрийфосфат, танин, крахмал – 14/16/60%), отечественные
присадки ЦНИИМФ-1 (дубовый экстракт, гексаметофосфат, антивспени48
ватель А-1 – 48/49/3%) и ЦНИИМФ-2 (дубовый экстракт, гриполифосфат
натрия, антивспениватель А-1 – 63/34/3%), которые представляют собой
композиции присадок первых двух типов.
Наиболее распространенными присадками для отечественных морских испарителей являются ЦНИИМФ-1 (для вакуумных и глубоковакуумных испарителей) и ЦНИИМФ-2 (для вакуумных испарителей и испарителей избыточного давления до 3 кгс/см2). Комплексные присадки обеспечивают снижение
интенсивности накипеобразования в испарителях в 5–7 раз и более, что позволяет в ходовом режиме судна создавать достаточный запас пресной воды на
рейс и сокращать количество береговой воды, закупаемой за границей.
Из импортных присадок получил распространение препарат Амероял
(«Ameroyal») фирмы «Амероид», который представляет собой бледно-желтую
невоспламеняющуюся и негорючую жидкость, растворимую в соленой и пресной воде. Этот полимер имеет умеренную вязкость ( его плотность составляет
1,05 – 1,07 г/см3, для чистого вещества рН=13). Обработку рассола испарителя
препаратом «AMEROYAL» производят путём подачи его в питательный трубопровод (подсасыванием при вакууме в зону кипения рассола) из ёмкости через регулирующий клапан и стеклянный ротаметр. Растворяясь в кипящем рассоле, препарат образует на металлической поверхности нагрева испарителя
гидрофобную полимерную микропленку, уменьшающую на ней адгезию кристаллов накипеобразователей. При этом новая накипь не образуется, а если
была старая, то она растрескивается, из-за разных коэффициентов линейных
расширений металла и минерала накипи, т. е. последняя отделяется от металла.
Препарат может использоваться для рассола плотностью выше, чем оптимальная (0,05) просто увеличением дозировки. Рекомендуемая доза препарата
составляет 30 мл на тонну получаемого дистиллята. Дозировка Амерояла в зависимости от производительности испарителя при нормальной эксплуатационной температуре представлена в табл. 2.
Таблица 2
Нормы расхода препарата «Амероял» для обработки рассола опреснителя
Производительность опреснителя, т
5
Расход препарата, л/т
0,15
10
15
20
0,30
0,45
0,60
Производительность опреснителя, т
25
30
40
50
Расход препарата, л/т
0,75
0,90
1,20
1,50
Противонакипные присадки не удаляют ранее образовавшейся накипи, поэтому для эффективного их использования начинать вводить присадку нужно
после тщательной очистки поверхности греющих батарей.
Методика химической очистки судовых испарителей от накипных отложений обычно излагается в инструкциях по их технической эксплуатации.
Экономичность и качество водного режима испарителей в значительной мере зависят от работы конденсаторов. При изменении района плавания и температуры забортной воды может изменяться температурный напор в конденсато49
ре и вакуум в испарителе. Длительным опытом эксплуатации установлено, что
нагрев охлаждающей воды в конденсаторе должен быть в пределах 3–5° С и регулироваться расходом воды.
Подсосы воздуха в конденсатор могут происходить через неплотности арматуры и соединений, через уплотнения штоков, клапанов, валов дистиллятного и
рассольного насосов. Для проверки плотности конденсаторов в испарителе создают максимально возможное разрежение, отключают эжектор и через каждые
1–2 мин записывают по вакуумметру давление. Плотность конденсаторов испарителей котловой воды (ИКВ) считается хорошей, если скорость повышения
давления при отключенном эжекторе меньше 1–1,3 мм рт. ст./мин.
Для удаления ранее образовавшейся накипи рекомендуется использовать
двойную дозу препарата, т. е. 60 мл/тонну получаемого дистиллята.
6. Технологии обработки воды для систем охлаждения
Предельная величина предела растворимости (ПР) для карбоната кальция
(СаСО3) при нагревании морской воды достигается при температуре 65 – 75 оС
и кристаллы этого вещества начинают откладываться на поверхностях нагрева
при выделении из рассола СО2 (по уравнению 3).
ПР для гидроокиси магния. Mg(OH) 2 , достигается при температуре рассола более 82 °С , что в свою очередь способствует появлению на поверхности
нагрева твёрдых отложений белого цвета, т. е. магниевому накипеобразованию:
Mg2+ + 2ОН- → Mg(OH)2.
(52)
Поэтому в открытых системах охлаждения судовых дизелей температура
охлаждающей воды на выходе из крышек цилиндров не должна превышать
55° С. Однако и при такой низкой температуре накипеобразование в охлаждающих полостях есть. Это объясняется тем, что контролируемая температура воды на выходе из двигателя является усредненной, а в отдельных зонах
внутри охлаждаемых полостей цилиндров и крышек она может быть больше
или меньше средней. В местах, где её температура превышает 70 – 80 °С, идет
накипеобразование. При этом охлаждаемые полости цилиндров, крышек, выпускных коллекторов заиливаются осадками, нарушающими процесс теплообмена. Создаются условия для температурных перекосов, дополнительных
термических напряжений, которые могут привести к трещинам крышек цилиндров, задирам поршней и пр. Морская вода обладает повышенной коррозионной активностью, а установка цинковых протекторов не в состоянии исключить электрохимическую коррозию. Поэтому на морских судах отказались
от применения морской воды для охлаждения дизелей. Проточные системы
охлаждения еще существуют на судах старых типов с маломощными СЭУ.
Больше всего распространены на судах замкнутые системы охлаждения
главных и вспомогательных двигателей, где в качестве теплоносителя используется питательная вода котельной установки или дистиллят судового опреснителя. Общепризнанных норм для охлаждающей пресной воды пока нет. Каждая фирма – изготовитель дизелей дает особые рекомендации по качеству
50
охлаждающей воды и предлагает свои рецепты антикоррозионных присадок, которые условно можно разбить на две группы:
• присадки для повышения рН охлаждающей воды до 8,5 – 9, при котором контролируется Щелочное Число раствора, а темп кислородной и
электрохимической коррозии минимален;
• антикоррозионные масла, которые покрывают металл тончайшей маслянистой пленкой, предохраняющей его от коррозии и практически не
ухудшающей условий теплообмена между водой и охлаждаемыми полостями СДВС.
К первой группе можно отнести отечественные хроматные присадки для
воды небольшой жёсткости (Хроматная для воды Жобщ=0,03 мг-экв/л, концентрация присадки в охлаждающей воде = 0,25 – 0,5%) или Хпроматнонитритная, а также мыльный препарат ИНК-8; присадки «DEWT-NCTM» (в
виде белых таблеток) или «DEWT-LTM» (в виде жидкости на основе хромата)
фирмы «Дру Амероид Марин», «Веком» и некоторые другие.
Ко второй группе относятся отечественные присадки ВНИИНП-117, ВНИИНП-119 и импортные масла типа «Дромус Оил В или Д» и пр.
В табл. 3 приведены наиболее распространенные на морских судах отечественные и зарубежные присадки к охлаждающей воде дизелей.
Таблица 3
Отечественные и зарубежные присадки к охлаждающей воде СДВС
Марка присадки
Хроматная (Россия)
Хроматно-нетритная (Россия)
Веком, Д-15 (Голландия)
Веком, Д-99 (Голландия)
Гамлен 57-М (Англия)
Атлас 2080 (Дания)
Атлас 2080 В (Дания)
НЭОС ПН-32 (Япония)
Амероид (США)
Амероид (США)
Дронус Оил Шелл (Англия)
ВНИИНП-117 (Россия)
Ограничения
КонцентраКонтролируепо жесткости ция присадки в мый показатель соводы
охлаждающей держания присадки
в системе, мгводе, %
в воде
экв/л
0,03
0,25 – 0,5
ЩЧ
0,03
0,03
0,03
—
Для жесткой воды
Для мягкой воды
—
—
—
—
1,5 – 3
0,25 – 0,5
ЩЧ
0,1 – 0,2
0,25 – 1
рН
рН
рН
0,2 – 0,3
0,2 – 0,3
рН
рН
0,4 – 0,6
0,5 – 0,75
0,3 – 0,45
0,5 – 1
0,1 – 1
рН
рН
рН
рН
ЩЧ
В системах охлаждения второго контура, где в качестве теплоносителя используется морская вода, на современных судах используют безреагентный метод хлорирования морской воды, основанный на электролизе воды в ячейке
электролизёра из нержавеющей стали. При небольшом напряжении (не более
51
12 В) постоянного тока на отрицательном электроде ячейки образуется активный хлор, который затем вводят в кингстон, открывающий подачу воды в систему охлаждения СДВС или конденсатора. Активный хлор, растворяясь в морской воде, образует хлорноватистую кислоту, которая химически неустойчива
и, в свою очередь, разлагается с образованием атомарного кислорода и соляной
кислоты:
НОСl → HCl + O.
(53)
Атомарный кислород, являясь хорошим окислителем, окисляет органические вещества в морской воде и тем самым препятствует обрастанию ракушечника во внутренних поверхностях труб системы охлаждения СДВС или конденсаторов. Такие установки для обработки забортной воды в системах охлаждения СДВС используются на морских транспортных сухогрузных судах типа
«Игорь Ильинский» ОАО «Дальневосточное морское пароходство».
7. Технологии обработки воды для систем водоснабжения
и водоотведения на морских судах
7.1. Технологии обработки воды для систем независимого водоснабжения
(горячего и холодного, питьевой и мытьевой воды)
7.1.1. Физические и химические показатели качества воды
хозяйственно-питьевого назначения
Современная санитарная практика в области водоснабжения опирается
на фундаментальные гигиенические исследования, показывающие, что с водой возможна передача возбудителей целого ряда инфекционных заболеваний и поступление в организм токсических веществ (ядовитых веществ, образуемых микроорганизмами, а также некоторыми растениями).
Естественно, что водоснабжение полноценно лишь тогда, когда удовлетворение физиологических потребностей человека в воде не сопровождается неблагоприятным или вредным влиянием на его здоровье. Такое влияние может проявляться не только в виде инфекционных или неинфекционных (связанных с присутствием ряда химических веществ) заболеваний, но и косвенно,
в результате невозможности использования низкокачественных (мутных, окрашенных или пахнущих) вод.
Для определения состава питьевых вод, правильной оценки показателей
их качества проводятся специальные исследования органолептических свойств
воды, её химического и бактериального состава.
О р г а н о л е п т и ч е с к и е с в о й с т в а воды, определяющие ее вкус,
цвет, запах, т. е. обнаруживаемые органами чувств, зависят от степени содержания в воде взвешенных и растворенных веществ органической и неорганической природы. Эти свойства воды характеризуются такими показателями,
как мутность, цветность, привкус, запах.
Мутность природных вод связана с наличием в них взвешенных частиц
глины, песка, ила, органических примесей и т. п. Причиной повышенной мут52
ности воды может быть и попадание в нее частиц антикоррозионных покрытий емкостей для ее хранения, например цементных.
Цветность воды в основном определяется присутствием в ней органических соединений, например продуктов жизнедеятельности водных организмов
или распада этих веществ. Попадание в природные водоемы промышленных и
бытовых сточных вод также может изменять окраску воды. Цвет воды природных открытых водоемов часто зависит от присутствия так называемых
гумусовых веществ. Эти вещества (гуминовые и фульво-кислоты и их соли)
связаны с процессами почвообразования и являются высокомолекулярными
и высокополимерными соединениями. Они придают воде желто-бурые оттенки. Изменение цвета воды возможно и при попадании в неё продуктов коррозии металлов.
Привкус природных вод определяется главным образом их солевым составом. Солоноватый привкус характерен для воды, содержащей много хлористого натрия. Горьковатый привкус появляется от сернокислого натрия, вяжущий
– сернокислого магния, железистый – солей закиси железа. На вкусовые качества воды могут влиять присутствующие в ней органические соединения,
а также попадающие извне химические вещества и контактирующие с ней материалы.
Запахи воды различаются естественные или искусственные. Они связаны с
присутствием химических примесей, с деятельностью живущих в воде организмов, с продуктами их распада, разложением растительных остатков. В воде
могут обнаруживаться ароматические, болотные, гнилостные, древесные, землистые, плесневые, рыбные, травянистые запахи, запах сероводорода и неопределенные запахи естественного происхождения.
Запахи искусственного происхождения, вызываемые попаданием в воду тех
или иных химических веществ, могут быть фенольными, хлорфенольными,
нефтяными и т. п.
Гигиеническое значение органолептических свойств воды очевидно. Высокая мутность, большая цветность, посторонние привкусы и запахи воды делают ее неприятной для употребления и вызывают отрицательное отношение к
ней человека. Резко сниженные органолептические свойства воды могут привести к отказу от ее употребления, даже при большой жажде.
Химический состав питьевой воды определяется содержанием растворенных в ней веществ. Солевой состав природных пресных вод является результатом их контакта с различными породами. На солевой состав природных вод
влияют и попадающие в них сточные воды, ливневые потоки, смывы и т. п.
Суммарным показателем содержания в природной воде солей является
величина сухого остатка. Он образуется при выпаривании определенного объема воды и определяется по потере массы при прокаливании. В природных
паводковых водах обычно содержится некоторое количество органических
веществ. В ней также растворены некоторые газы – кислород, углекислый газ,
а иногда и сероводород, метан, если она поступает из заболоченных мест.
С химическим составом природных вод связаны такие их свойства, как щелочность, кислотность, агрессивность, жесткость. Кратко обозначим их.
53
Щелочность воды (общая) представляет собой сумму содержащихся в
воде гидроксильных ионов [ОН- ] и анионов слабых кислот – угольной (ионов НСО3-, СО32-) и др. В зависимости от химической природы присутствующих в воде соединений различают общую бикарбонатную (двууглекислую), карбонатную (углекислую) и гидратную (гидроксильную) щелочность.
Кислотность воды характеризуется наличием углекислоты, а также некоторых органических и реже минеральных кислот.
Степень кислотности или щелочности воды, т. е. её активная реакция, количественно характеризуется концентрацией водородных ионов, а точнее их
активностью.
В нейтральном растворе и при комнатной температуре концентрация водородных ионов равняется концентрации гидроксильных ионов, т. е.
[Н + ] = [ОН-] = 10-7 г-ионов/л (округленно).
При [Н+] > 10-7 растворы имеют кислую реакцию, при [Н+] < 10-7 – щелочную.
Концентрацию водородных ионов принято выражать при помощи водородного показателя рН, представляющего собой отрицательный десятичный
логарифм концентрации водородных ионов: рН = - lg [Н+]
Нейтральных растворов рН равен 7, кислых растворов меньше 7 и щелочных больше 7.
Обычно природные воды имеют рН в пределах 6,5 – 8,5.
Жесткость воды обусловливается присутствием в ней солей на основе
кальция и магния. Наличие тех или иных солей этих катионов определяет различные виды жесткости.
Общая жесткость воды определяется растворенными солями кальция и
магния (карбонатов, бикарбонатов, сульфатов, хлоридов) и складывается из
карбонатной и остаточной (некарбонатной) жесткости.
Карбонатная жесткость обусловлена присутствием в воде карбонатов и
гидрокарбонатов кальция и магния.
Устранимая или временная жесткость – часть карбонатной жесткости.
Она удаляется при кипячении (уравнения 3 и 4), а также
MgCO3 + H2O → Mg (OH)2 + H2O + CO2.
(54)
Постоянную жесткость воды обусловливают соли, оставшиеся в растворенном состоянии после кипячения.
Жесткость воды обычно выражают в градусах или в мг-эквивалентах на
литр (мг-экв/л). Один градус жесткости (1о) соответствует содержанию 10
мг окиси кальция в 1 л воды; 1 мг-экв/л – содержанию 28 мг окиси кальция
в 1 л воды.
Окисляемость воды связана с содержанием в ней органических и легкоокисляющихся неорганических примесей (сульфатов, сероводорода, закисного железа и др.) и является показателем степени загрязнения воды этими веществами. Величина окисляемости воды определяется количеством кислорода,
необходимым для окисления примесей в данном объеме воды.
54
Определение величины окисляемости является одним из косвенных методов определения содержания органических веществ в воде.
Наиболее чистые артезианские воды обычно имеют окисляемость в пределах 2,0 мг/л, озерные – 5–8 мг/л. Величина окисляемости речных вод может
достигать 50 мг/л и более, особенно в болотистых местностях.
Азотсодержащие вещества (ионы аммония, нитридные и нитратные
ионы) образуются в воде в основном в результате разложения белковых соединений, попадающих в неё с бытовыми сточными водами и стоками некоторых производств. Белковые вещества подвергаются распаду под действием микроорганизмов. Конечным продуктом этого распада является аммиак
(NH4), ионы которого неустойчивы в воде. Под действием бактерий при окислении кислородом воздуха они превращаются в нитридные и нитратные ионы
2NH4 + 2ОН- + ЗО2 = 2NO2 + 2Н+ + 4Н2О.
(55)
Этот процесс называется нитрификацией и вызывается бактериями (нитрификаторами). Другие бактерии (денитрификаторы) при недостатке кислорода
и наличии некоторых безазотистых веществ (клетчатки, крахмала) разлагают
ионы NO3 (нитратные) до азота
4NO3- + 5С = 2СО32- + 2N2 + 3CO2.
(56)
Возможны и другие пути образования нитратов и нитритов, например,
при электрических грозовых разрядах, как следствие окисления азота кислородом воздуха, при растворении нитратных солей почвенными водами.
В зависимости от присутствия в воде тех или иных азотсодержащих соединений можно судить о времени загрязнения воды. Недавнее загрязнение
подтверждается присутствием в воде NH4 при отсутствии нитритов. О значительной давности загрязнения свидетельствует отсутствие NH4 при наличии нитритов и нитратов.
Растворенные в воде газы также влияют на её свойства. В различных концентрациях (от 0 до 14 мг/л) находится в воде кислород. Величина этих концентраций зависит от интенсивности растворения в воде кислорода воздуха
(в соответствии с его парциальным давлением и температурой воды) и от
интенсивности выделения его водной растительностью. Снижение уровня содержания в воде кислорода является неблагоприятным признаком, свидетельствующим о поступлении в воду загрязнений, окисление которых и потребовало расхода кислорода. В то же время кислород усиливает процессы
коррозии металлов, что заставляет ограничивать его содержание в водах, поступающих в теплоэнергетические системы. Сероводород и углекислота также
при определённых условиях придают воде коррозионные свойства. Углекислота обычно содержится в больших или меньших количествах во всех природных водах. Её образование связано с геохимическими процессами и с разложением органических веществ. Содержание СО2 в воде поверхностных источников обычно не превышает 30 мг/л.
Каково же влияние химического состава питьевой воды на состояние здоровья людей? Фундаментальные исследования показывают, что целый ряд заболеваний может быть связан с избыточным или недостаточным содержанием в
воде некоторых химических веществ. Так с употреблением очень жестких вод
55
связывают усугубление мочекаменной болезни. Кроме того, жесткая вода
(свыше 20°) неприятна на вкус. Она менее пригодна и для приготовления
пищи (ухудшается разваривание мяса, бобовых). Применение её для мытья,
стирки влечет повышенный расход мыла. Имеются данные и о неблагоприятном влиянии излишне мягких натриевых питьевых вод. При длительном
их использовании отмечено ухудшение состояния сердечно-сосудистой системы. Хлориды и сульфаты в повышенных концентрациях придают воде неприятный соленый и горько-соленый привкус, неблагоприятно влияют на функциональное состояние желудочно-кишечного тракта.
Доказано, что употребление воды, содержащей нитраты в концентрациях
выше 10 – 20 мг/л, может вызывать особое заболевание, связанное с изменениями гемоглобина крови.
Таким образом, состав различных природных вод, даже не загрязненных
извне, может оказаться неблагоприятным для человека, что необходимо учитывать при выборе водоисточников. Однако химический состав природных вод
может изменяться в результате попадания в них веществ, им не присущих, в
частности токсических. Они могут попадать в питьевую воду при загрязнении
водоисточников сточными водами, при нарушении технологических процессов
очистки и обеззараживания воды (в результате поступления избыточных доз
некоторых реагентов), а также при использовании в системах водоснабжения
материалов, не разрешенных органами Государственного санитарного надзора.
При этом в воду могут поступать такие вредные вещества, как медь, свинец,
мышьяк, токсичные органические соединения и др.
В практике санитарного надзора контроль уровня содержания вредных веществ в воде начинается с изучения химического состава воды водоисточников и заканчивается исследованиями состава воды, поступающей потребителям
после обработки.
При рассмотрении роли химического состава воды необходимо упомянуть
и микроэлементы, содержащиеся в организмах в очень небольших количествах (10-3–10-12 %), но биологическая роль, которых велика. К микроэлементам
относятся йод, бром, бор, фтор, селен, стронций, никель и др. Считают, что
именно с водой поступает в организм человека наибольшее количество микроэлементов. Установлено, что присутствие некоторых из них в определенных
концентрациях физиологически необходимо (например, фтора). Присутствие
повышенных концентраций других микроэлементов оказывает неблагоприятное действие.
7.1.2. Бактериологические показатели качества воды
В воде постоянно содержится некоторое количество микроорганизмов различных видов. Состав воды, большее или меньшее количество питательных
веществ в ней, содержание кислорода, температура, интенсивность солнечного
облучения, наличие микробов-антагонистов (микробный антагонизм – явление,
характеризующееся гибелью микробов одного вида в присутствии микробов
другого вида). Все эти факторы определяют возможность развития в воде
56
микробов, степень её загрязнения ими. В ряде случаев в 1 мл воды могут
содержаться десятки тысяч микроорганизмов. Однако общее число бактерий в чистых природных водах (ключевых, колодезных) не превышает
обычно 200 – 1000 шт. в 1 мл.
Однако с эпидемиологической точки зрения важно, чтобы в общем числе бактерий не содержались так называемые патогенные микроорганизмы,
способные вызывать у человека различные инфекционные заболевания (холеру, брюшной тиф, паратифы, дизентерию, инфекционную желтуху, туляремию,
бруцеллёз, инфекционный гепатит, вирусные кишечные заболевания, лихорадку Ку, полиомиелит и даже туберкулез).
Каковы же пути проникновения в питьевую воду возбудителей этих заболеваний – бактерий и вирусов? Обычно заражение ими питьевой воды связано
с попаданием в водоисточник или систему водоснабжения выделений больного
человека. Пути такого проникновения – это пути загрязнения сточными водами
открытых водоемов, используемых как источники водоснабжения, и водопроводных коммуникаций при нарушении их герметизации. Бактериальные загрязнения питьевой воды возможны при антисанитарном состоянии судовых
средств приема воды (шланги, патрубки и т. д.), несвоевременной дезинфекции
систем водоснабжения и пр.
Сейчас совершенно очевидно, что микробы-возбудители большинства перечисленных заболеваний не только длительно выживают в воде, но и способны
размножаться в ней, еще более увеличивая опасность заражения человека
при её употреблении.
Для суждения о бактериальной чистоте воды в современной санитарной
практике обычно используется не только непосредственное выделение из неё
болезнетворных микроорганизмов (это сложный и длительный путь лабораторного исследования), а методически более простое обнаружение так называемых санитарно-показательных бактерий. Поскольку поступление во внешнюю среду болезнетворных (патогенных) микроорганизмов всегда связано с
выделениями человека, то оказалось возможным судить о загрязненности
воды по присутствию постоянно выделяемой человеком кишечной палочки.
Этот микроб содержится в фекалиях в огромных количествах и является представителем нормальной микрофлоры кишечника человека. Отсюда и санитарно-показательное значение этого микроба. Возможно и определение других
постоянных представителей кишечной микрофлоры (например, фекальных энтерококков). Однако именно кишечная палочка принята как основной тестобъект.
Кишечную палочку обнаруживают в воде специальными методами санитарной бактериологии. Количество кишечных палочек в воде измеряется с помощью двух показателей: коли-титра и коли-индекса.
Коли-титр – это то наименьшее количество (объем) воды, в котором обнаруживается одна кишечная палочка. Коли-титр обозначается только цифрой,
хотя речь идет о количестве миллилитров. Например, коли-титр 96 означает,
что в 96 мл воды обнаружена одна кишечная палочка.
Коли-индекс – это количество кишечных палочек в 1 л воды.
57
Особенно важны эти показатели при оценке качества обеззараживания воды. Оказалось, что, если коли-титр воды в процессе её обеззараживания повышается до 333 и более, то выживание патогенных (болезнетворных) бактерий в
такой воде исключено полностью. Отсюда и взят норматив допустимого содержания в воде бактерий группы кишечной палочки – коли-титр не менее 333
(коли-индекс не более – 3). О чистоте воды судят также и по общему количеству бактерий, содержащихся в 1 мл. Это количество (так называемое микробное число) для чистой питьевой воды не должно превышать 100.
7.1.3. Гигиенические нормативы и оценка качества питьевой воды
Гигиенические требования к качеству питьевой воды содержатся в Государственном стандарте (ГОСТ Р 51232-98) «Вода питьевая», имеющем силу
закона. Нарушение его требований строго наказуемо. Некоторые извлечения из
ГОСТ Р 51232-98 приведены в табл. 4.
Некоторые извлечения из ГОСТ Р 51232-98 «Вода питьевая»
Таблица 4
Наименование показателей качества питьевой воды
по ГОСТ Р 51232-98
Запах при 20 °С и при подогревании воды до 60 °С, баллы, не более
Привкус при 20 °С, баллы, не более
Цветность по платино-кобальтовой шкале, град, не более
Мутность по стандартной шкале, мг/л, не более
Общая жесткость, мг-экв/л, не более
Содержание свинца (РЬ2+), мг/л, не более
Содержание мышьяка (As3+; 5+), мг/л, не более
Содержание меди (Сu2+), мг/л, не более
Содержание цинка (Zn2+), мг/л, не более
Содержание железа (Fe2+; 3+), мг/л, не более
Содержание фтора (F-), мг/л для I и II климатических районов
для III климатического района
для IV
»
»
Содержание серебра (Ag), мг/л, не более
Водородный показатель (рН)
Содержание хлоридов (С1), мг/л, не более
Содержание сульфатов (SO42+), мг/л, не более
Остаточный свободный хлор (при хлорировании воды), мг/л
Специфические запахи, после хлорирования, баллы, не более
Остаточный алюминий (А13+), мг/л, не более
Общее количество бактерий в 1 мл неразбавленной воды, не более
Коли-индекс, не более
Коли-титр, не менее
Норма качества
питьевой воды
2
2
20
1,5
7
0,1
0,05
1,0
5,0
0,3
1,5
1,2
0,7
0,05
6,5 – 8,5
350
500
0,3 – 0,5
1
0,5
100
3
300
В соответствии с указанным ГОСТом питьевая вода должна иметь хорошие
органолептические свойства, безвредный химический состав, не содержать болезнетворных микробов и других возбудителей заболеваний. Эти общие требо58
вания конкретизированы количественными показателями качества питьевой
воды. Они обоснованы рядом фундаментальных гигиенических и санитарнотоксикологических исследований.
Помимо перечисленных в табл. 1 веществ ГОСТ Р 51232-98 ограничивает
присутствие в воде бериллия (Ве2+) до 0,0002 мг/л, молибдена (Мо2+) до 0,5
мг/л, полиакриламида до 2,0 мг/л, селена (Se6+) до 0,001 мг/л, стронция
(Sr2+) до 2,0 мг/л, урана (U) природного и урана -238 до 1,7 мг/л.
В соответствии с ГОСТ Р 51232-98 при обнаружении в воде нескольких веществ из ряда токсичных (Ве2+, Мо2+, As3+; As 5+, Рl2+, Se2+, Sr2+, U и U-238)
сумма концентраций, выраженная в долях от максимально допустимых концентраций каждого вещества в отдельности, не должна быть более 1.
Оценка качества питьевой воды обычно производится органами санитарной службы на основе результатов химических и бактериологических анализов, включая оценку органолептических показателей.
Проведение полного анализа питьевой воды по всем группам показателей
её качества в судовых условиях весьма затруднительно и выполнимо лишь
при наличии специального оборудования и подготовленного персонала. В
связи с этим до настоящего времени такие определения проводятся в стационарных условиях специализированных лабораторий.
7.2. Способы и системы судового водоснабжения
Существуют два способа водоснабжения морских судов: снабжение пресной водой с берега и получение пресной воды из забортной морской опреснением. Опреснение морской воды может быть термическим или физикохимическим (гиперфильтрацией или с использованием ионно-обменных смол).
Каждый из этих способов может реализоваться разными путями. Снабжение водой с берега может осуществляться при стоянке судна у причала или с
помощью судов-водолеев, снабжающих флот на рейде и в открытом море, например, на рыбном промысле или на буровой платформе при добыче углеводородов на шельфе.
Опресненную воду также можно получать непосредственно на судне, при
нахождении его в открытом море, испаряя морскую в испарителях, и насыщая её при фильтрации через минерализаторы необходимыми для жизнедеятельности человека солями, используя для этой цели специальные опреснительные установки термического или физико-химического принципа действия.
На борту судна вода поступает в систему бытового водоснабжения. В состав системы бытового водоснабжения входят ёмкости для хранения воды, насосы, подающие воду из ёмкости в пневмоцистерну (гидрофор), и трубопроводы, ведущие к потребителям. Иногда в эту схему включаются устройства для
обработки (очистки, дезодорации, обеззараживания, консервации), подогрева
или охлаждения воды.
Количественные характеристики системы водоснабжения (объем и число
ёмкостей, протяженность трубопроводов), выбираются с учетом расчетной
59
численности экипажа, автономности судна, его габаритов, числа палуб, расположения надстроек (одно-, двухостровное). Системы бытового водоснабжения по назначению подразделяются на систему питьевой воды, систему
мытьевой воды и систему бытовой забортной воды.
Возможно устройство единой системы бытовой пресной воды.
Кроме того, на специализированных морских судах (рыбной промышленности) обычно имеется система технологической воды. Она может быть автономной, однако в ряде случаев является лишь частью общесудовой системы
бытовой пресной воды.
Разделение систем водоснабжения на питьевую и мытьевую всегда определялось различными условиями хранения воды в зависимости от её назначения.
Первоначально (до поступления воды на судно из портового водопровода) вода
имеет питьевые свойства, как этого и требуют санитарные правила. Однако
при длительном хранении на судах вода теряет свои качества.
На морских промысловых судах разделение систем водоснабжения на
питьевую и мытьевую оказалось оправданным и в связи с тем, что с развитием водоопреснительной техники запасы мытьевой воды стали пополняться
дистиллятом испарительных установок. Для питьевых целей эта вода непригодна. Только в последние годы, используя фильтры-минерализаторы, ей
научились придавать питьевые свойства, что сделало принципиально возможным устройство единой системы бытовой пресной воды (рис. 19).
Рис. 19. Схема судовой системы бытового водоснабжения:
1 – цистерны пресной воды; 2 – электронасосы; 3 – гидрофор; 4 – хлоратор; 5 – приемный патрубок; 6 – фильтры; 7 – трубопровод пресной воды; 8 – циркуляционный насос;
9 – водоподогреватель; 10 – испарители морской воды; 11 – минерализатор дистиллята
60
Обычно пополнение судовых запасов пресной воды производится путем
приема её с берега, а также путем минерализации дистиллята опреснительных установок. В обоих случаях предусмотрено обеззараживание воды. Перед подачей воды к потребителям на самом судне, а также при передаче её
другим судам вода фильтрацией проходит обработку на фильтрахдехлораторах, заполненных сорбентом (обычно это – активированный уголь
марок БАУ или ТАД).
Трубопровод горячей пресной воды (рис. 19) выполнен кольцевым. На
первый взгляд это наиболее простое решение. При организации единой
системы бытового водоснабжения на судне необходимо минимальное количество вспомогательных механизмов, обслуживающих систему трубопроводов,
цистерн для хранения запаса пресной воды. Естественно, что при таком
решении вся вода должна быть только питьевого качества, а устройство
единой системы должно отвечать требованиям, предъявляемым к системе
питьевой воды. В гигиеническом отношении это идеальный вариант, т. к. он
обеспечивает поступление во все точки водоразбора высококачественной
воды и тем самым высокую санитарную надежность судовой системы бытового водоснабжения в целом. Однако по экономическим соображениям
до последнего времени организация единой системы бытовой пресной воды
на рыбопромысловых судах встречала ряд трудностей.
Хранение запаса береговой воды на весь период автономности промыслового судна в емкостях, пригодных для хранения питьевой воды, влечет за собой
потерю определенной части его полезной грузоподъемности судна. Доставка
воды с берега танкерами-водолеями также неэкономична, т. к. связана с большими эксплуатационными расходами.
По указанным причинам суда постройки 50-х и 60-х годов имеют, как правило, две раздельные системы пресной воды – питьевой и мытьевой. В системе
питьевой воды здесь используется только береговая вода, которая подается на камбуз, к питьевым фонтанчикам, в медблок, к каютным умывальникам. По системе мытьевой воды первоначально также поступает береговая
вода, а по мере её расходования пополнение производится дистиллятом от опреснительной установки. На промысловых судах под термином мытьевая вода
сейчас практически подразумевается дистиллят, т. к. запаса береговой воды
хватает на несколько суток и на протяжении всего рейса в качестве мытьевой воды используется опресненная морская вода. Это позволяет подавать из
системы мытьевой воды пресную воду на хозяйственно-бытовые, технологические и технические нужды (пополнение контура охлаждения ДВС и др.).
Возможность реализации устройства единой системы бытовой пресной
воды появилась только в последние годы с внедрением на судах установок для
придания дистилляту питьевых свойств (минерализаторов), т. е. с появлением
возможности воспроизводить запасы питьевой воды непосредственно на
судне. Но и с внедрением на судах минерализаторов монтаж единой системы
бытовой пресной воды экономически не всегда целесообразен. В каждом отдельном случае необходимо производить технико-экономический расчет рентабельности той или иной системы.
61
При раздельной системе водоснабжения мытьевую воду можно принимать из береговых источников или от судовых опреснительных установок.
Мытьевая вода подается в бани, душевые, ванны, прачечные. Допустима (но
не рекомендуется) подача мытьевой воды к умывальникам. Качество мытьевой воды во всех случаях должно соответствовать требованиям по бактериологическим показателям, и она не должна иметь неприятного запаха. Для обеспечения этого желательно при проектировании судна предусматривать возможность обеззараживания и дезодорирования мытьевой воды.
Вода только питьевого качества, т. е. полностью удовлетворяющая всем требованиям, должна подаваться ко всем потребителям пищеблока, к кипятильникам, установленным вне пищеблока, к сатураторным установкам, питьевым
фонтанчикам потребителям медицинского блока (кроме ванн) и т. п.
Для систем питьевой и мытьевой воды, обслуживаемых насосами с механическим приводом, считается необходимым наличие аналогичных резервных насосов.
Гигиенические требования к качеству, условиям приготовления, хранения и
распределения на судне пресной воды для технологических нужд те же, что и к
воде хозяйственно-питьевого назначения. Система технологической пресной
воды может быть отдельной от системы хозяйственно-питьевого водоснабжения или общей с ней (единой).
Морская вода может подаваться на судно для технологических целей.
Поэтому на судне может устанавливаться гидрофор забортной воды. При
этом она должна приниматься с «чистого» борта – противоположного тому,
на котором располагаются отливные отверстия для сброса фекальных, сточных,
льяльных и производственных вод.
Расход пресной воды бытового назначения определяется «Санитарными
правилами для морских судов», устанавливающими минимально допустимые
нормы водопотребления на судах в зависимости от их водоизмещения (см.
табл. 5).
Таблица 5
Вода
Питьевая
Мытьевая
Минимальные нормы расхода питьевой и мытьевой воды на
одного человека (в л/сутки) по категориям судов
I
II
Ш
IV
40
60
30
40
20
30
10
10
Аналогичные требования выдвигаются и «Руководством по судовой санитарии», составленные на основе санитарных законодательств ряда государств
и изданных Всемирной организацией здравоохранения в 1967 г. Необходимое
количество питьевой воды в сутки на одного человека – 32 л, мытьевой – 88 л.
Для обеспечения достаточного уровня комфорта обитания на суде нормы
расхода воды должны превышать минимальные не менее чем в два раза.
62
Питьевая и мытьевая вода принимается и хранится на судне только в специально предназначенных и оборудованных для этих целей цистернах.
В зависимости от конструктивных особенностей различают три типа ёмкостей (цистерн) для хранения воды: вкладные, расположенные автономно в
корпусе судна (рис. 20), бортовые или между трюмами глубокие (диптанки),
частично связанные с корпусом, и отсеки двойного дна (форпик и ахтерпик),
являющиеся частью корпуса судна.
Рис. 20. Схема расположения
ёмкостей для пресной воды на
судне: 1 – ахтерпик; 2 – вкладная
цистерна; 3 и 4 – бортовые
цистерны; 5 – отсеки двойного дна;
6 – форпик
В
соответствии
с
современными требованиями запасы питьевой воды чаще всего размещают во
вкладных цистернах с наружным расположением набора. Чтобы при осушении их вода в них не оставалось, днище таких цистерн изготавливают с наклоном в одну сторону. Допускается использование емкостей, образованных в
системе прочного корпуса, не соприкасающихся с забортной водой и имеющих
минимальное количество набора внутри цистерны (набор палубы, ограничивающий цистерну только сверху).
При единой системе бытовой пресной воды (питьевой и мытьевой) возможно частичное её хранение в цистернах прочного корпуса (кроме междудонных отсеков), имеющих один наружный борт и минимальное количество
набора внутри (допускается набор борта и палубы, ограничивающий цистерну
сверху). При этом должен быть обеспечен удобный доступ к цистернам для
очистки, дезинфекции и мойки их внутренней поверхности. Горловины цистерн должны герметически закрываться и исключать возможность загрязнения через них воды. По возможности горловины должны быть сделаны в боковых стенках цистерн.
При ориентации судна на полное (или преимущественное) обеспечение
питьевых нужд за счет опресненной воды, когда отпадает необходимость в
длительном хранении запасов воды, для её размещения нужно использовать
только вкладные цистерны.
Цистерны питьевой воды располагаются, как правило, в помещениях, не
имеющих источников тепловыделений и загрязнений. Только в исключительных случаях, при технической невозможности установки цистерн в более
удобном месте, их допускается располагать в районе источников тепловыделений (но не загрязнений!) по согласованию с органами санэпиднадзора. При
этом должны быть приняты эффективные меры для защиты цистерн от нагревания. Нагревательные змеевики, если они проходят внутри цистерны, выполняются из коррозионно-устойчивых материалов или покрываются полудой (пищевым оловом) и не должны иметь разъемных соединений. Прокладка
63
внутри цистерны питьевой (и мытьевой) воды трубопроводов, несущих иные
жидкости, недопустима.
Все цистерны пресной (питьевой и мытьевой) воды на судне с целью
обеспечения возможности периодического санитарного обслуживания их (ревизий, чистки, восстановления покрытий, дезинфекции и т. п.) должны иметь
дно с уклоном и спускной пробкой или специальное устройство, позволяющее
провести полное осушение цистерны. Для доступа в цистерны при проведении
указанных профилактических мероприятий или ремонта они оборудуются
герметически закрываемыми горловинами.
Воздушные трубы пресной воды снабжаются насадками и защитными сетками и выводятся в места, исключающие возможность заливания забортной
водой и всякого иного загрязнения через них воды в цистерне. Концы воздушных труб, выведенные на палубы, должны возвышаться над ними не менее
чем на 400 мм.
Для замера уровня воды в цистернах разрешается использовать только автоматические приспособления или водомерные стекла, исключающие возможность внесения в воду загрязнений. Применение для этой цели футштоков запрещается. Попеременное использование одних и тех же цистерн для хранения питьевой и мытьевой воды запрещается. При перемещении запаса воды
для регулирования дифферента судна допускается перекачка её только между
емкостями, относящимися к одной и той же системе.
На внутренние поверхности цистерн питьевой и мытьевой воды, если они
выполнены из некоррозионноустойчивых материалов, наносится антикоррозионное покрытие.
Для антикоррозионной защиты внутренних поверхностей емкостей для
хранения пресной воды могут использоваться только материалы и составы,
разрешенные для этих целей органами санэпиднадзора. Наиболее удовлетворительными из разрешенных красок в настоящее время являются покрытия
на основе смолы СВХ-40 (ХС-76 и другие). В качестве антикоррозионных
покрытий применяются также этинолевые и цинксиликатные краски.
Эффективность и гигиеническая надежность любого антикоррозионного
покрытия может быть обеспечена только при строгом выполнении всех требований к его составу, технологии использования, а также дополнительных условий (например, обязательная установка в системе водоснабжения фильтра с
активированным углем марки БАУ для устранения из воды неприятного запаха
при использовании для покрытия цистерн этинолевых красок).
Окраска цистерн питьевой воды, выполненных из стали или легких сплавов, производится следующим образом: сначала в один слой накладывают
грунтовку ХС-04, а затем в четыре слоя лак ХС-76, содержащей 8–10%. алюминиевой пудры.
Для стальных цистерн может быть рекомендована и другая схема: один
слой грунтовки ХС-04 и четыре слоя эмали ХС-558 или ХС-710.
Недостатком этих красок является наличие в их составе растворителя Р4, содержащего такие токсичные вещества, как толуол, ацетон, бутилацетат.
Для удаления остаточных количеств растворителя необходимо строгое соблю64
дение технологии покрытия цистерны красками. Сушка после нанесения слоя
грунтовки или краски должна производиться в течение 6 – 8 ч при температуре
15 – 30 °С или 10 – 12 ч при 5 – 14 °С. Для улучшения качества покрытия в
цистерну следует подавать свежий воздух. Воздух, содержащий пары растворителей, должен выбрасываться в атмосферу. После нанесения последнего
слоя краски для удаления следов растворителя необходимо сушить цистерны, периодически продувая их воздухом, в течение трех-четырех недель. В отдельных случаях срок сушки может быть уменьшен до пяти суток при условии непрерывной подачи в цистерну воздуха, нагретого» до 40 – 45 °С.
Для защиты от коррозии танков питьевой воды можно использовать лакокрасочные материалы на основе сополимеров винилхлорида (эмаль ХС-769п и
грунтовка ХС-0115). Грунтовка – один слой и эмаль – пять слоев.
Перед покраской стальные поверхности очищают по возможности до чистого металла. Старые цементные покрытия должны быть полностью удалены; старые покрытия на основе смолы СВХ-40 и этинолевой краски ЭКЖ-40
необходимо тщательно зачистить наждачной шкуркой.
Перед нанесением лакокрасочных покрытий поверхность обезжиривают
уайт-спиритом, насухо вытирают. После обезжиривания высушивают до полного удаления летучих растворителей.
Окраску цистерн питьевой воды грунтовками ВЛ-05, ХС-0115 и эмалью»
ХС-769п разрешается производить при температуре от 10 до 30 °С.
Для окраски цистерн рекомендуется применять также этинолевые краски
ЭКА-15 или ЭКЖС-40. Их готовят на месте из этинолевого лака, алюминиевой пудры и сухого железного сурика.
После нанесения покрытий цистерны должны вентилироваться 12–13 суток. В состав красок входят ароматический растворитель ксилол и этинолевый лак, способные переходить из покрытий в воду и ухудшать её свойства.
Поэтому воду из цистерн, окрашенных этинолевыми красками, можно
применять только после фильтрации через угольные сорбционные фильтры.
Для окраски цистерн применяют также цинксиликатные краски, которые
представляют собой растертую смесь пигментов (цинковой и алюминиевой
пудры) в растворе жидкого калиевого стекла. Краска, например, В-ЖС-41 поставляется в виде четырех упаковок: основы, пигментной смеси, цинкового
порошка и отвердителя. В качестве отвердителя готового покрытия используется 10%-ный раствор фосфорной кислоты. Другая краска КО-42 представляет собой суспензию цинковой пыли в этилсиликатном связующем.
Краска поставляется в двух упаковках: пигмент и основа.
Краски В-ЖС-41 и КО-42 должны выдаваться малярам в готовом виде.
Окраска цистерн питьевой воды на судах производится кистью или с помощью установки безвоздушного распыления. Краску В-ЖС-41 наносят в
три слоя с общей толщиной покрытия 150–200 мкм. Краску КО-42 наносят в
четыре слоя с общей толщиной покрытия 150 мкм.
Не ранее чем через 20 суток после окончания окраски производится двукратная промывка окрашенных цистерн пресной водой методом заполнения.
Спустя двое суток воду спускают. После промывки окрашенные емкости
65
подвергаются санитарной обработке путем заполнения на одни сутки раствором хлорамина с концентрацией активного хлора 20 мг/л. Поскольку цинксиликатное покрытие недостаточно устойчиво к повышенным концентрациям
активного хлора, процесс хлорирования цистерн необходимо осуществлять
таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение активного хлора
на всех участках поверхности. С этой целью хлорамин вводят в цистерну после заполнения ее водой на 1/2 объема. Раствор хлорамина вводят непосредственно в струю закачиваемой воды. После завершения санитарной обработки емкости промывают водопроводной водой, полностью заполняющей емкость. Воду удаляют через сутки, после чего снова заполняют цистерну водопроводной водой и производят химико-бактериологический анализ.
В настоящее время применение цемента для покрытия вновь изготовленных или ранее покрытых другими составами цистерн питьевой воды запрещается. Исключение составляют цистерны, ранее (до ремонта) покрытые
цементом, если технические причины не позволяют произвести замену цементного покрытия на рекомендованные современные, а также цистерны малых
промысловых судов или судов портофлота с автономностью плавания не более 12 часов. В таких случаях для обновления покрытия цистерн должен
применяться только высококачественный цемент (портланд марки не ниже
500), имеющий соответствующий сертификат и разрешение санитарной службы
на применение для покрытия цистерн питьевой воды.
При использовании цементных покрытий их следует обрабатывать углекислотой по специальной методике. Углекислотная обработка способствует увеличению прочности покрытия и снижению неблагоприятного влияния цемента
на качество хранящейся воды.
Осмотр антикоррозионного покрытия цистерн проводится не реже двух раз
в год, а по требованию органов санитарного надзора и чаще. При выявлении
неудовлетворительного состояния покрытия оно должно быть в обязательном
порядке восстановлено или заменено новым до выхода судна в рейс. При нарушении покрытия в рейсе его необходимо восстановить немедленно по прибытии в базовый порт.
Категорически запрещается проведение всех работ по подготовке цистерн
к нанесению антикоррозионных покрытий силами команды. Эти операции
должны выполняться только специально подготовленными рабочими судоремонтных заводов или технической службой базовых организаций флота, с
разрешения и под контролем представителей санитарной службы. По окончании работ санитарной службе и командованию судна передается акт об их выполнении, подписанный представителями организации-исполнителя, с указанием даты проведения, марки примененного покрытия, отметкой о соблюдении
требований технологической инструкции, а при применении цемента – также с
результатами его лабораторного анализа.
Все трубопроводы систем питьевой и мытьевой воды выполняются из коррозионно-устойчивых материалов или имеют разрешенное органами санэпиднадзора антикоррозионное покрытие. Не разрешается проводить эти трубо66
проводы через топливные, масляные, балластные, льяльные, фановые, сточные и т. п. цистерны.
Трубопроводы систем бытовой пресной воды располагают на судне с
учетом обеспечения удобства их обслуживания и разборки.
Трубопроводы прокладывают с минимальным числом изгибов и соединений. Соединения располагают в доступных для разборки местах.
Проход трубопроводов через герметичные контуры и водонепроницаемые
переборки, палубы и другие герметичные и водонепроницаемые конструкции,
а также установка арматуры на эти конструкции выполняются с применением
съемных или приварных стаканов, приварышей или других равноценных соединений, обеспечивающих полную непроницаемость корпусных конструкций
и надежность соединения трубопроводов.
При проходе трубопроводов через легкие проницаемые переборки переборочные соединения, как правило, не устанавливают, а отверстия заделывают
розетками или другим способом.
На отростках от магистралей для отключения их при ремонте устанавливают запорные клапаны.
Для обеспечения спуска воды на трубопроводах в застойных местах монтируют спускные пробки.
В архитектурно оформляемых помещениях осуществляется скрытая прокладка труб, а в местах установки арматуры и соединений предусматриваются ревизионные дверцы или съемные листы.
Системы бытовой пресной воды выполняются с учетом обеспечения самокомпенсации трубопроводов при линейных расширениях металла.
Для предотвращения провисания, сдвига и вибрации трубопроводы надежно закрепляют к корпусу судна подвесками.
Механизмы, трубы и арматура крепятся, как правило, к прочным корпусным конструкциям (набору) или к специальным приваренным опорам. В случаях, когда жесткость в местах крепления недостаточна, необходимо устраивать
дополнительные подкрепления. Все привариваемые детали устанавливаются
(привариваются) до испытания переборок на непроницаемость. Прокладка
труб в трюмах, как правило, не допускается. В случае необходимости прокладки трубопроводов в трюмах, угольных бункерах или в других помещениях, где возможно их механическое повреждение, они защищаются прочными
кожухами.
Трубопроводы систем бытового водоснабжения, расположенные в помещениях, в которых не допускается отпотевание, а также трубопроводы горячей
воды для устранения тепловых потерь изолируются.
Для предупреждения нагревания питьевой воды при размещении водопроводных труб рядом с горячими трубопроводами эти трубы должны быть расположены ниже горячих трубопроводов или особо изолированы.
В судовых трубопроводах широко применяют стальные бесшовные оцинкованные водогазопроводные горячекатаные, холоднокатаные или холоднотянутые трубы.
67
Перспективными для судовых систем пресной воды являются стеклопластиковые трубопроводы, которые отличаются от стальных трубопроводов
рядом ценных качеств. Они имеют исключительно высокую механическую
прочность, не подвергаются коррозии, не требуют специальной защитной или
декоративной окраски. При использовании этих труб обеспечиваются значительно меньшие гидравлические потери. Наряду с этим стеклопластиковые
трубопроводы обладают отличными электро-, тепло- и шумоизоляционными
свойствами, устойчивостью к гидравлическим ударам, вибростойкостью и высокой демпфирующей способностью.
Как уже отмечалось, трубопроводы систем пресной воды в зависимости
от расположения и температуры воды в них должны быть изолированы. В
одних случаях изоляция наносится на трубопроводы для предотвращения отпотевания труб, в других случаях трубопроводы изолируются для устранения тепловых потерь (трубопроводы горячей мытьевой воды).
Трубопроводы горячей воды изолируются асбестовой тканью типа АТ-4
(ГОСТ Р 6102-97) с толщиной слоя 7 мм. Для трубопроводов холодной воды
может быть применена следующая изоляция: органический войлок (ГОСТ Р
6418-97); теплоизоляционные материалы ВТ4 (ТУ МПТШП 340-55), ВТ4С (ТУ
17-2166-98) и материал марки АТИМСС (ТУ МПЛ-1520-97) с толщиной
изоляции от 6 до 10 мм в зависимости от диаметра трубопровода.
Окраска и маркировка трубопроводов производятся в соответствии с ГОСТ
Р 5648-91 в белый цвет или под цвет помещения. Маркировка трубопроводов
пресной или охлажденной пресной воды – полоска серого (шарового) цвета,
дополнительный цвет маркировки – зеленый.
Все современные данные по судовому водоснабжению позволяют считать,
что бактериальный состав питьевой воды при хранении (в пределах 5–15
дней) всё-таки изменяется и становится гигиенически неблагоприятным фактором, способным прямым или косвенным путем обусловить появление патологических состояний в первую очередь органов пищеварения.
7.3. Регенерация питьевой воды и оборудование для улучшения её качества
В основе технологии водообработки для получения воды питьевого качества лежат две группы процессов: процессы коррекции физических и химических свойств воды (очистка) и процессы освобождения воды от болезнетворных микроорганизмов (обеззараживание).
Очистка. Для улучшения физико-химических показателей качества воды
используют приемы её осветления, обесцвечивания и дезодорации (улучшения
вкуса). Приёмы эти могут быть реагентными (предусматривающими введение
в воду специальных химических веществ) и безреагентными (например, с использованием сорбирующих материалов).
Устранение мутности и цветности воды в береговых условиях (осветление
воды) достигается коагулированием взвешенных и коллоидных примесей,
их отстаиванием (седиментацией) и фильтрованием через фильтр-прессы, а
иногда и центрифугированием. В судовых условиях ограниченного объёма по68
мещений машинного отделения и неизбежной качки судна реализовать указанную технологию не представляется возможным.
Однако наличие запахов в воде обусловлено присутствием в ней некоторых
веществ органической и неорганической природы. Для устранения из воды запахов биологического происхождения (дезодорации) может успешно применяться обработка её реагентами, обеспечивающими окисление пахнущих веществ. К таким реагентам относятся хлорсодержащие препараты, перманганат калия и озон. Также для дезодорации воды эффективно используют её
аэрирование.
Весьма перспективным для дезодорации воды является применение активированных углей, как в виде углевания (добавления в воду частиц угля с
последующим его отфильтровыванием), так и путем фильтрации очищаемой
воды через напорные фильтры, заполненные гранулами активированного угля.
Из активных углей, выпускаемых в России ОАО «Сорбент», для дезодорации воды наиболее эффективны угли марки БАУ (на древесной основе),
КАУСОРБ (на кокосовой основе) и КАД (на каменноугольной основе). Активированные угли могут применяться и для обесцвечивания воды.
Устранение из воды веществ, ухудшающих её вкус, достигается также
приемами опреснения.
Сероводород может удаляться из воды при окислении его кислородом воздуха или хлором. Применяется также физический метод – дегазация путем
контакта воды с воздухом (дождевание, фонтанирование, барботирование). Известны и более сложные приемы, основанные на комбинировании аэрирования с катализом или биохимическим окислением некоторыми бактериями.
Удаление из воды железа в виде бикарбоната также может быть достигнуто аэрированием: 4Fe2+ + 8HCO3- + O2 + H2O → 4Fe(OH)3 + 8CO2 . (57)
Основой этого процесса является окисление двухвалентного железа до
трехвалентного с последующим удалением выпадающего в осадок гидрата
окиси железа. При аэрировании воды концентрации железа в ней снижаются
до 0,1–0,3 мг/л при исходном содержании не более 15 мг/л.
Для обезжелезивания воды могут использоваться также фильтрация через
зернистые материалы, обладающие каталитической активностью, и ионообменные процессы.
Железо, находящееся в воде в виде органических и неорганических коллоидов, комплексных соединений или тонкодисперсной взвеси, может быть удалено при коагуляции воды. Хлорирование воды сопровождается окислением закисного железа в окисное. Это также используется для обезжелезивания.
.Для освобождения воды от гидроокиси железа (при содержании железа до
10 мг/л) могут эффективно применяться осветлительные фильтры.
Обеззараживание. Современные методы обеззараживания воды могут быть
реагентными и безреагентными.
К первым относятся методы, основанные на применении таких химических веществ, как хлор и хлорсодержащие препараты, озон и серебро.
Ко вторым – каталитическое обеззараживание с использованием гетерогенных катализаторов на полимерных и минеральных носителях, выпускаемых в
69
России группой компаний «Катализ», а также бактерицидное ультрафиолетовое излучение, гамма-излучение, УКВ, ультразвук.
Наиболее распространенным методом обеззараживания воды в береговых
и судовых условиях является х л о р и р о в а н и е . Обработка воды хлорсодержащими реагентами нашла наибольшее применение на морских судах. Суть
этого метода состоит в том, что свободный хлор образует с водой хлорноватистую кислоту, которая химически неустойчива и разлагается быстро с образованием соляной кислоты и атомарного кислорода (уравнение 53).
Атомарный кислород, являясь активным окислителем, интенсивно
окисляет вещества, входящие в протоплазмы клеток бактерий, вследствие
чего последние погибают. Наиболее чувствительны, к такому методу обработки воды, являются патогенные микроорганизмы (бактерии брюшного тифа, дизентерии и вибрионы холеры). В то время как кишечная палочка – устойчива.
Бактерицидное действие хлора обеспечивается только его активной частью,
которая не вступила в соединения. Количество активного хлора, необходимого
для обеззараживания единицы объёма воды, называют «дозой» хлора и она зависит от концентрации органических примесей в воде. Отсутствие автоматического управления и приборов контроля фактической дозы активного хлора, находящегося в воде, не позволяет точно определить дозу хлорсодержащего препарата при хлорировании воды в судовых условиях.
В последнее время установлено, что органические соединения, оставшиеся в
воде после её хлорирования, загрязняют питьевую воду, способны поглощать
свободный хлор и образовывать канцерогенные вещества, вызывающие онкологические заболевания.
Для судовых условий отечественной промышленностью выпускались хлораторные установки ОВХ-1 и хлоратор ХЛ-4 с фильтрами-дехлораторами
ДХЛ-1, ДХЛ-2, ДХЛ-3.
Установка ОВХ-1 предназначена для обеззараживания в судовых условиях питьевой воды, принимаемой с берега, с другого судна или полученной от опреснительных установок и хранящейся в цистернах запаса судна. Она состоит из хлоратора (рис. 21) для приготовления и дозирования исходного раствора хлорной извести и дехлорирующего фильтра для удаления
избытка остаточного хлора из расходуемой питьевой воды.
Сущность хлорирования заключается в добавлении в воду 3%-ного раствора хлорной извести из расчета 0,5 л на 1 т воды (по активному хлору
3–4 мг/л). Продолжительность контакта воды с хлором 30 мин с момента подачи всего количества раствора хлорной извести в воду.
Корпус хлоратора (рис. 21) представляет собой цилиндрический сосуд с
коническим днищем, на котором установлен кран Ду20 для удаления остающегося осадка хлорсодержащего препарата и промывных вод в сточную систему судна. Крышка хлоратора – откидывающаяся. В верхней части
корпуса помещен мерник, рассчитанный на 0,270 кг хлорной извести. В нижнюю часть корпуса вмонтирован проходной муфтовый клапан Ду 15 для подачи воды в хлоратор и расходный кран Ду20 для подачи готового раствора в
приемную магистраль судового водопровода. Подводящая трубка, распола70
гающаяся внутри цилиндра вдоль его оси, служит для направления струи воды, вымывающей хлорную известь из мерника. Для наблюдения за наполнением хлоратора водой и получением необходимого количества раствора в корпусе хлоратора вмонтировано смотровое стекло со шкалой, градуированной
через 0,5 л.
Рис. 21. Хлоратор установки ОВХ-1:
1 – корпус; 2 – крышка; 3 – мерник; 4 – подводящая трубка;
5 – смотровое стекло; 6 – подводящий клапан; 7 – расходный кран
Рабочая ёмкость хлоратора ( 8 л ) рассчитана на приготовление раствора
хлорной извести для одновременного обеззараживания 16 т воды. Масса сухого хлоратора 12 кг. Материал корпуса и основных деталей хлоратора – нержавеющая сталь. Осветленный раствор хлорной извести через расходный кран
хлоратора направляется в цистерну запаса питьевой воды.
Корпус дехлорирующего фильтра (см. рис. 20) представляет собой цилиндрический сосуд с плоским днищем и фланцем для соединения с крышкой
и крепления кассеты.
Кассета фильтра представляет собой тонкостенный цилиндрический сосуд с
решетчатым дном, покрытым сеткой, заполненный березовым активированным углем марки БАУ. В верхней части кассеты имеется фланец для крепления её между фланцами корпуса и крышки. Крышка фильтра сферической
формы с решеткой, сеткой и патрубком для отвода воды и фланцем для соединения с корпусом.
Хлорированная вода перед подачей в расходную магистраль пропускается через фильтр-дехлоратор (рис. 22). При пропускании хлорированной
воды через фильтр избыточный хлор и продукты окисления сорбируются в
порах активированного угля.
Пропускная способность фильтра 2,5 м3/ч, объем кассеты для адсорбента
0,050 м3, масса сухого фильтра 50,5 кг.
71
Материал корпуса и основных деталей фильтра-дехлоратора – нержавеющая сталь.
Рис. 22. Фильтр-дехлоратор установки ОВХ-1:
1 – корпус; 2 – крышка; 3 – кассета с
активированным углем
Установка ОВХ-1 проста по конструкции
и
надежна
в
эксплуатации,
имеет
сравнительно небольшие размеры. К её недостаткам следует отнести ограниченную
производительность фильтра-дехлоратора,
необходимость хранения запасов хлорной
извести,
отсутствие
автоматического
управления и приборов контроля за
фактической дозой активного хлора, находящегося в воде.
Благодаря простоте и надежности
установки ОВХ-1 получили широкое
распространение на судах морского флота и установлены на многих судах
отечественной постройки.
Эффективность хлорирования зависит от следующих факторов: биологических особенностей микроорганизмов, их устойчивости к внешним воздействиям, бактерицидных свойств используемых препаратов хлора, состава водной
среды, условий, в которых осуществляется обеззараживание.
Различная чувствительность микроорганизмов разных видов к внешним
воздействиям определяется их строением и физиологическими особенностями.
Так, например, по отношению к хлору палочки брюшного тифа, паратифа
оказываются более чувствительными, чем стафилококки, дифтерийная палочка. Наиболее устойчива кишечная палочка. Имеет значение и концентрация
микробов в воде.
Свойства и состав водной среды влияют на эффективность хлорирования
путем связывания активного хлора растворенными органическими веществами или путем снижения величины окислительно-восстановительного потенциала хлора.
Способность содержащихся в воде веществ активно взаимодействовать с
хлором определяет величину хлорпоглощаемости воды.
Многочисленными исследованиями установлена прямая зависимость величины хлорпоглощаемости воды от её температуры, времени контакта с хлором, возрастания дозы последнего, увеличения содержания взвешенных и растворенных органических веществ.
Для эффективного обеззараживания воды хлором знание величины её
хлорпоглощаемости крайне важно, поскольку достаточное бактерицидное действие хлора проявляется лишь при определенном избыточном (остаточном)
72
количестве этого агента. В то же время величина хлорпоглощаемости воды
различна, т. к. зависит от перечисленных выше переменных факторов, поэтому
определение хлорпоглощаемости воды следует производить в тех же условиях, в которых будет осуществлено и её хлорирование.
Это касается и предполагаемого периода контакта хлора с водой. Так, если он рассчитывается равным времени 60 мин, то и величину хлорпоглощаемости необходимо определять за такой же период времени.
Оптимальная доза активного свободного хлора должна превышать величину хлорпоглощаемости не менее чем на 0,3 – 0,5 мг/л. Более высокие величины остаточного хлора также недопустимы, поскольку они придают воде
специфический отторгающий её запах.
Действующие санитарные нормативы требуют, чтобы период контакта при
хлорировании был не менее 30 мин. Остаточный хлор (в пределах 0,3–0,5
мг/л) должен постоянно обнаруживаться в воде, поступающей в водопроводную сеть, и в ближайшей точке водоразбора.
В сложных условиях обеззараживания воды (вне стационарных береговых
водопроводных станций) надежность обеззараживающего эффекта может достигаться путем применения заведомо повышенных доз хлора – перехлорирования. В этом случае возникает необходимость удаления из обеззараженной
воды избытка остаточного хлора. При небольшой его величине (1–2 мг/л)
эффект может быть достигнут аэрацией воды. При больших количествах остаточного хлора используют химические (например, связывание гипосульфитом натрия) или сорбционные (с помощью сорбции активированным углем)
методы дехлорирования.
О з о н и р о в а н и е оказывает комбинированный обеззараживающий, обесцвечивающий и дезодорирующий эффект.
Как известно, озон (О3) является алотропической модификацией кислорода
и при нормальной температуре и давлении представляет собой газ.
Основные свойства озона как сильного окислителя связаны с его способностью к самопроизвольному распаду с отдачей атомарного кислорода.
Разложение кислорода и образование озона в производственных условиях
осуществляются при наложении на определенный объем сухого атмосферного
воздуха электрического разряда высокого напряжения (так называемого
«тихого» разряда). В озонаторах получают озоно-воздушную смесь, содержание озона в которой может достигать 5–10% (по массе). Для обеззараживания воды обеспечивают быстрое и полное смешение её с озонированным воздухом в контактном резервуаре.
Озону присущ высокий окислительно-восстановительный потенциал, определяющий быстрое развитие реакций с органическими веществами, содержащимися в воде. Существенно, что течение этих реакций у озона интенсивнее,
чем у хлора.
Необходимо всегда помнить, что озон является весьма токсичным газом,
но эффективные бактерицидные концентрации озона используются в пределах 0,2–0,5 мг/л и являются неопасными для человека. Обеззараживание воды озонированием выгодно отличается от хлорирования, как по краткости не73
обходимого периода контакта, так и по достигаемому при этом эффекту в широком спектре патогенных представителей микрофлоры воды.
Величина остаточного озона лимитируется по органолептическому признаку (по запаху, хотя это ограничение весьма условно – присутствие озона в воде весьма кратковременно).
Что касается процессов устранения привкусов, запахов и цветности, сопутствующих обеззараживанию воды озоном, то в основе их также лежит его
высокая окисляющая способность, приводящая к расщеплению соединений
минерального и органического происхождения, придающих воде эти неблагоприятные свойства.
Выбор эффективной дозы озона из-за отсутствия возможности постоянного контроля состава воды в судовых условиях (как это, впрочем, имеет место и в отношении любого другого бактерицидного агента) заставляет ориентироваться на заведомо эффективные дозы и периоды контакта.
Из безреагентных методов обеззараживания воды наиболее широкое применение находит б а к т е р и ц и д н о е у л ь т р а ф и о л е т о в о е и з л у ч е н и е (длина волны 254 – 257 нм, рис. 23). Обеззараживающее действие ультрафиолетового облучения бактерий в воде обусловлено фотохимическими реакциями, в
результате которых происходит необратимое повреждение ДНК и РНК микроорганизмов. Это излучение эффективно в отношении всех видов микроорганизмов: бактерий, вирусов, паразитарных простейших и не приводит к образованию в
питьевой воде побочных продуктов, как при её хлорировании.
Рис. 23. Ультрафиолет в спектре электромагнитного излучения
К достоинствам метода ультрафиолетовой обработки относится возможность достижения достаточно высокого бактерицидного и спороцидного эффекта в воде при секундных периодах контакта. Эффективность этого метода
зависит от мутности воды и содержания в ней железа. Высокий бактерицидный эффект ультрафиолетового излучения достигается лишь в слоях прозрачной воды, не превышающих 1–4 см.
На морских судах отечественной постройки наибольшее распространение
получили бактерицидные установки ОВ-1П (рис. 24) с лампами БУВ-60П. Производительность бактерицидной установки составляет 3 м3/ч; расчётный бактерицидный поток 3,9 Вт; предельное рабочее давление в корпусе установки не
более 490,3 кПа; напряжение питающей сети 220 В; потребляемая мощность не
более 60 Вт; габариты 1,16×0,28×0,37 м; масса 50 кг. Максимальное расчетное
74
бактериальное загрязнение исходной воды для установки ОВ-1П принимается
равным коли-индексу Ро= 1000 (коли-титр 1), коли-индекс облученной (обеззараженной) воды принимается равным 1 и не более 3 (коли-титр не менее
333).
Рис. 24. Конструкция судовой
бактерицидной установки типа ОВ-1П:
1 – входной патрубок; 2 – спираль; 3 –
пусковая аппаратура; 4 – смотровое окно; 5 кварцевый чехол; 6 – бактерицидная лампа; 7
– выходной патрубок; 8 – шток; 9 – верхняя
крышка корпуса; 10 – верхняя съёмная
крышка; 11 – верхний спускной кран; 12 –
корпус камеры; 13 – нижняя съёмная крышка;
14 – нижняя крышка корпуса; 15 – нижний
спускной кран
У с т а н о в к а ОВ-1П (рис. 24)
состоит
из
камеры
облучения,
оборудованной спиралью и одной
бактерицидной лампой, размещенной в кварцевом цилиндрическом чехле.
Пусковое устройство к бактерицидной лампе крепится непосредственно к
корпусу установки, который состоит из отрезка стальной трубы диаметром
0,168 м, к торцам которой приварены нижняя и верхняя крышки. В крышках
предусмотрены отверстия с резиновыми уплотнительными кольцами для крепления цоколей кварцевых цилиндрических чехлов. Бактерицидная лампа размещена в кварцевом цилиндрическом чехле, расположенном по оси корпуса
камеры. Этот чехол заключен в торцовые цоколи (оправы). Соединение чехла с
цоколем производится при помощи мастики, приготовленной из прокаленной
окиси свинца с добавкой глицерина. Кварцевый цилиндрический чехол вставляется цоколями в отверстия нижней и верхней крышек корпуса и с обеих
сторон зажимается резиновыми уплотнительными кольцами. Уплотнительные
кольца с помощью нажимного кольца и штуцерной гайки сжимаются, создавая герметичность. Торцы чехлов закрыты съемными верхней и нижней
крышками.
Внутри корпуса камеры, вокруг кварцевого чехла, установлена спираль из
листовой нержавеющей стали с резиновой обкладкой. Спираль, состоящая из
пяти витков, служит для создания турбулентного режима движения потока
воды вокруг лампы во время облучения, а также для очистки наружной поверхности кварцевого чехла от осадка. Верхняя обойма спирали соединена
двумя штоками, выходящими наружу верхней крышки камеры через уплотнительные штуцеры с резиновыми кольцами. Концы выведенных штоков соединяются ручкой, позволяющей перемещать спираль возвратно-поступательно
на величину её шага. В результате такого перемещения осадок, образующий75
ся на наружной поверхности кварцевого чехла, счищается резиновой обкладкой
спирали.
С боковой стороны камеры, по касательной к корпусу, приварены патрубки.
Входной (нижний) патрубок служит для присоединения к трубопроводу, подающему воду в установку. Выходной (верхний) патрубок, расположенный
вблизи верхней крышки корпуса камеры, служит для отвода обеззараженной
воды.
Корпус камеры облучения оборудован смотровым окном для визуального
наблюдения за гидравлическим режимом работы установки, состоянием кварцевого чехла и работой бактерицидной лампы.
Верхняя и нижняя крышки камеры оборудованы пробковыми спускными
кранами.
Верхний спускной кран служит для выпуска воздуха при заполнении установки водой, нижний – для выпуска воды при осушении установки.
Установку можно монтировать в вертикальном, наклонном и горизонтальном положении. Включение установки в работу осуществляется в следующем
порядке: камера заполняется водой и выпускается находящийся в ней воздух,
затем включается бактерицидная лампа, через 10 мин после зажигания лампы
следует открыть задвижку на трубопроводе обеззараженной воды.
Учитывая, что частые включения и выключения установки приводят к
преждевременному износу лампы и пусковой аппаратуры, а также необходимость остывания лампы перед повторным включением и время её пускового
режима, включать и выключать установку следует не чаще одного раза в час.
Если требуется более частое отключение насосов, то допускается отключение
установки не более чем на 2 часа при условии заполнения её водой без выключения ламп.
По истечении расчетного срока горения лампы (4500 ч), когда интенсивность ультрафиолетового излучения уменьшается на 25–30%, требуется её замена.
На транспортных судах немецкой постройки установлена бактерицидная
ультрафиолетовая установка типа «U» (рис. 25). Она предназначена для обеззараживания питьевой воды перед подачей в гидрофор (установка с двумя излучателями при производительности гидрофорного насоса 14 м3/ч).
Установка типа U (рис. 25) с расходом воды 3 м3/ч и выше состоит из цилиндрических камер облучения, в которые вводятся излучатели типа HNS60, предварительно вставленные в защитные трубки из кварцевого стекла. Излучатели
представляют собой вакуумированную трубку из кварцевого стекла, заполненную парами ртути и инертным газом. Корпус камер облучения стальной, оцинкованный горячим способом с толщиной покрытия 60 мкм. Камеры облучения
в зависимости от требуемой мощности можно встраивать в любые трубопроводы параллельно или последовательно. Присоединительные фланцы Ду100. Вода, протекая через камеру, обтекает кварцевую трубку и облучается. Благодаря
U-образной форме установки обеспечивается закручивание потока питьевой
воды. Кварцевая защитная трубка почти без потерь пропускает ультрафиолето76
вый свет с длиной волны 254 нм. Под действием ультрафиолетовых лучей микроорганизмы, находящиеся в воде, уничтожаются.
Рис. 25. Судовая бактерицидная установка
типа «U»: 1 – корпус; 2 – смотровое окно; 3 – камера
облучения; 4 – очистительное устройство; 5 – излучатель;
6 – кварцевый чехол; 7 – кран для выпуска воздуха
Специальное
очистительное
устройство
позволяет держать кварцевую трубу и смотровое
стекло в чистоте.
Кварцевое смотровое стекло в центре
цилиндрического трубного элемента позволяет
замерять
интенсивность
ультрафиолетового
излучения с помощью специального прибора, поставляемого с установкой.
Интенсивность излучения необходимо периодически проверять, т. к. по мере старения излучателя интенсивность излучения ослабевает. Срок службы излучателя 8000 ч при 3000 включений.
Установки типа U работают в автоматическом режиме совместно с насосами. Она оборудована пультом управления, на переднюю панель которого выведены лампы сигнализации, счетчик часов работы и выключатель.
Следует отметить различную чувствительность бактерий разных видов к
действию ультрафиолетовой радиации. Однако установлено, что кишечная палочка по устойчивости сохраняет свое санитарно-показательное значение и по
отношению к этому виду энергии.
К недостаткам метода относится прямая зависимость высоты достигаемого
эффекта обеззараживания от качества очистки обрабатываемой воды, что обусловливает необходимость предварительного высококачественного её осветления и обесцвечивания. Кроме того, этому методу не присуще какое-либо сопутствующее улучшение иных свойств воды, что также определяет необходимость
дополнительной обработки воды.
Применение, особенно на флоте, других упомянутых методов безреагентного обеззараживания (УКВ, радиоактивное излучение) правильнее рассматривать, как возможное в отдаленной перспективе, прежде всего в связи с отсутствием достаточно приемлемых для судовых условий технических решений. В известной мере это относится и к ультразвуку.
77
Специфика судовых условий заставляет при выборе приемов обработки воды учитывать необходимость использования экспресс-методов, поддающихся
максимальной автоматизации и сохраняющих эффективность независимо от
воздействий качки, вибрации, температурных колебаний.
Характер и природа изменений физических свойств воды в судовых емкостях (взвешенные частицы покрытий, продукты коррозии железа) делают возможным эффективное применение фильтрования как метода очистки воды с
использованием скоростных фильтровальных устройств.
В судовых условиях приемлемы напорные мелкозернистые фильтры с автоматическим переводом на промывку после завершения фильтрцикла (потеря
напора не более 8–10 м). В качестве фильтрующих элементов судовых фильтров для очистки воды эффективны керамические пористые материалы, применяемые в виде патронов.
Использование осветлительных фильтров может решить и проблему удаления железа из хранящихся на борту вод. Очевидным источником последнего
является коррозия металлических поверхностей емкостей, обнажающихся
вследствие старения или низкого качества антикоррозионного покрытия.
Восстановление органолептических свойств хранящейся на судах воды
осуществляется с помощью сорбционных фильтров (с загрузкой сорбентами
такого типа, как активированный уголь) или применением сильных окислителей (озон, хлор).
Применение сорбционных фильтров в судовых схемах кондиционирования
воды представляется весьма перспективным в связи с возможностью их универсального использования как для дезодорации, обезжелезивания, сорбции органических веществ, так и для устранения излишних количеств реагентов, используемых для обеззараживания воды.
Высокий дезодорирующий эффект дает озонирование воды, все чаще применяемое для этой цели при одновременном достижении обесцвечивания и
обеззараживания.
Из безреагентных способов, обеззараживания (микрофильтрация, ультрафиолетовое бактерицидное излучение, ультразвуковые и ультракороткие волны, радиоактивное излучение) самый простой микрофильтрация, предусматривающий использование сменяемых фильтрующих материалов (микропористых
патронов). Однако отсутствие систематического контроля эффективности во
время рейса заставляет отказываться от него и рассматривать более надежные
приемы безреагентного обеззараживания, к которым относится бактерицидное
ультрафиолетовое излучение. Как уже указывалось, к его преимуществам относится возможность достижения достаточно высокого бактерицидного и спороцидного эффекта в воде при весьма коротких периодах контакта, а также отсутствие отрицательных влияний на органолептические свойства воды.
Применение озонаторных установок в судовых условиях долгое время считалось малореальным по техническим соображениям. В настоящее время эти
трудности преодолены, о чем свидетельствует появление как зарубежных, так и
отечественных опытных образцов установок в судовом исполнении.
78
Ряд современных исследований в области получения хлорсодержащих продуктов путем электролиза морской воды или растворов поваренной соли расширяет перспективы использования хлорирования в судовых условиях. Прежде всего, это устраняет неудобства, связанные с доставкой и хранением
хлорсодержащих препаратов, облегчает автоматизацию процесса обеззараживания воды. Сравнение методов прямого и непрямого обеззараживания воды
электролизом позволяет отдать, предпочтение последнему, как более эффективному и практичному. При использовании метода прямого электролиза воды
количественная и качественная характеристика образующихся бактерицидных
веществ зависит от химического состава обеззараживаемой воды. При высоком
содержании хлоридов преобладает выделение хлора, при малом – в основном
кислорода.
Для осветления воды на судах применяются различные фильтровальные
устройства. По конструкции судовые фильтры могут быть патронными и зернистыми.
В фильтрах патронного типа фильтрующие элементы выполнены из мелкопористого материала в виде свечей (патронов).
В фильтрах зернистого типа фильтрующим элементом является слой мелкозернистого материала (кварцевого песка, керамзита и т. п.).
По сравнению с мелкозернистыми патронные фильтры имеют большую
скорость фильтрации и меньшие размеры при той же производительности.
Это определило их преимущественное использование на судах морского флота.
Патронные фильтры. В фильтрах патронного типа (рис. 26) использован
принцип ультра- и микрофильтрации. По характеру использованного фильтрующего материала они могут быть синтетическими, керамическими, металлокерамическими. Благодаря малым размерам пор (менее 1 мкм) патронные
фильтры могут не только задерживать взвешенные частицы, но и освобождать
воду
от
микроорганизмов
и
взвешенных частиц.
Рис. 26. Судовой фильтр питьевой воды
типа FW6/А (Польша):
1 – корпус; 2 – перфорированная трубка; 3 –
фильтрующая свеча; 4 – трубная доска; 5 – крышка
Однако практика эксплуатации таких
фильтров на отечественных судах зарубежной постройки показала, что со временем
фильтрующая способность патронов резко
снижается при одновременном возрастании
потерь напора.
Эффективная
работа
фильтров
гарантируется фирмами поставщиками при
концентрации в воде взвешенных веществ не
79
более 0,002 кг/м3. В случаях применения цементных покрытий величина этого
показателя значительно выше.
Фильтры с угольными элементами типа FW6/A (рис. 26) предназначены для
очистки питьевой воды перед подачей в расходную магистраль. Они устанавливаются в систему питьевой воды между насосами и гидрофором. Их номинальная производительность составляет 1,5 м3/ч (при давлении 196,1 кПа),
максимальное р а б о ч е е д а в л е н и е н а в х о д е 441,3 кПа. Корпус фильтра
сварной цилиндрический с наружным диаметром 0,398 м. В корпусе под чугунной крышкой с выпускным патрубком установлена горизонтально трубная
доска, к которой привинчены 30 фильтрующих сборок (свечей, патронов).
Внутренние поверхности корпуса и крышки эмалированы. Фильтрующая сборка состоят из трёх цилиндрических угольных фильтров, насаженных на перфорированную трубку через резиновые прокладки, зажатые пробками и гайками
снизу. Неочищенная вода поступает через штуцер в нижней части корпуса, а
выходит очищенной через штуцер в крышке. При очистке воды на поверхности
угольных элементов отлагаются более крупные взвешенные частицы, а более
мелкие осаждаются в глубине фильтрующего материала. Помимо осветления
воды фильтр способен её дезодорировать, т. к. уголь активирован и служит в
качестве катализатора, способствующего окислению органических веществ,
придающих воде запах. Перед установкой фильтрующие сборки замачиваются
в воде при комнатной температуре не менее чем на 5 часов.
Увеличить срок службы фильтрующих свечей (патронов) и продолжительность фильтрциклов можно путем заполнения корпуса фильтра зернистым материалом, комбинируя два способа фильтрации – через постоянную (патрон) и
сменную (зернистую) фильтрующую загрузку. На рис. 27 представлен такой
фильтр, разработанный Черноморским ЦПКБ. Вода в фильтре осветляется
предварительно в зернистом фильтрующем слое 5 с зёрнами размером 0,3-0,4
мм, а окончательно – с помощью
металлокерамических фильтроэлементов 3.
Рис. 27. Фильтр с зернистым слоем и
металлокерамическими фильтроэлементами:
1 – патрубок отвода очищенной воды и подвода
промывочной воды; 2 – нижняя крышка; 3 –
металлокерамический фильтрующий элемент; 4 –
корпус; 5 – фильтрующий зернистый слой; 6 – верхняя
крышка; 7 – отбойный лист; 8 – патрубок для подвода
очищаемой воды и отвода промывочной воды
В качестве зернистого материала обычно
используются кварцевый песок, дроблёный
антрацит или керамзит, горелые породы или
природный туф, обладающие хорошей пористостью и большой продолжительностью
фильтроцикла.
80
В процессе очистки воды фильтр заполняется отфильтрованными частицами
загрязнений и его гидравлическое сопротивление возрастает. Когда оно достигает значений выше 98 кПа, производится их удаление (промывание) обратным
потоком чистой промывочной воды. Интенсивность промывки кварцевого песка составляет 10 – 12 л/(с·м2) в течение не более 10 мин. При этом зернистый
фильтрующий слой расширяется (взрыхляется). В связи с этим над поверхностью зернистого слоя необходимо предусматривать (оставлять при его загрузке) свободное пространство высотой, равной 0,5 Н + 0,2 м, где Н – высота
фильтрующего слоя, м.
Обслуживание фильтров для очистки воды сводится к периодической очистке свечей при увеличении их гидравлического сопротивления и внутренней
поверхности корпуса от шлама. После наружной очистки свечей от шлама их
промывают обратным током воды, а также периодически кипятят в воде.
Активированный уголь устойчив к повышению температуры до 180 оС.
Кроме того, он кислотоустойчив и его пористая структура разрушается лишь
под воздействием щелочей.
7.4. Консервация питьевой воды
Под консервацией воды понимают длительное сохранение её питьевых
свойств. Консервации подлежит вода, поступающая из портовых гидрантов
на судно и имеющая качество питьевой. Основное назначение консервации –
предотвращение развития остаточной микрофлоры чистой воды, с которым
связаны гигиенически неблагоприятные изменения её состава. Непременным
условием применения консервации воды является исключение возможности
попадания в неё химических загрязнений. Кроме того, должны быть приняты
все меры для предупреждения вторичных бактериальных загрязнений водного запаса. Консервированная вода должна храниться в емкостях, защищенных с внутренней стороны таким покрытием, которое не оказывает на её
свойства каких-либо влияний – не изменяет её вкуса, цвета, запаха, химического состава.
Способы консервации воды делятся на физические и химические.
Консервирующий эффект может быть достигнут при использовании такого
физического фактора, как понижение температуры хранящейся воды. Экспериментальные исследования и натурные наблюдения на судах, плававших в северных широтах, показали, что качество воды не ухудшалось в том случае,
когда её температура не превышала 10 °С. Однако обеспечение хранения воды при пониженных температурах на судах в средних и тем более тропических широтах практически мало реально по экономическим и техническим
причинам.
К физическому способу консервации воды можно отнести приемы её сохранения в консервных банках. При этом применяют герметичную закатку
обеззараженной воды под вакуумом в жестяных банках емкостью 0,5 и 1,0 л.
Но таким способом обеспечивается только аварийный запас воды на спасательных средствах.
81
Консервация больших количеств воды общесудового запаса требует использования химических консервантов. Такой консервант должен обладать
способностью длительно (не менее 90–100 суток) губительно (бактерицидно) действовать на микрофлору воды. Эффективные его концентрации
должны быть безвредны для человека, независимы от температуры хранящейся воды и от примененного антикоррозионного покрытия емкости. Присутствие в воде консерванта не должно ухудшать химические и органолептические
показатели качества воды.
Иногда под консервацией воды понимают постоянное поддержание в ней определенных концентраций дезинфицирующих веществ (например, хлора) путем ежесуточного (или более частого) их добавления. Однако термин «консервация» здесь мало применим. Более правильно рассматривать этот прием
как повторное обеззараживание воды.
Консерванты, предназначаемые для использования в судовых условиях,
должны удовлетворять еще одному требованию. Оно связано с тем, что вторичные микробные загрязнения воды возможны как в период её поступления
из береговых гидрантов, так и в период самого хранения. Это обстоятельство
заставляет применять такие консерванты, которые не только препятствовали бы
размножению микробов (т.е. обладали бы бактериостатическим действием),
но и были бы способны уничтожать случайные бактериальные загрязнения
воды (т.е. обладали бы и бактерицидным действием).
Таким образом, для консервации воды в судовых условиях необходимо
применение такого вещества, которое сохранит на длительный период времени
способность обеззараживать воду.
В настоящее время накоплены значительные данные, свидетельствующие
о возможности использования для этой цели: некоторых металлов (золота,
меди, серебра и др.).
Практическое применение, однако, получил лишь один из них – серебро.
Особенности бактерицидного действия серебра и позволили применить его для
длительного сохранения качества воды. В настоящее время – это единственный способ её консервации на судах.
7.4.1.Технология консервации питьевой воды серебром
Бактерицидное действие. Исследования Л. А. Кульского антимикробного
действия серебра и др. показали, что для развития бактерицидного эффекта
имеет значение величина используемых концентраций серебра и вид применяемого серебросодержащего соединения. Оказывает влияние также химический состав обеззараживаемой воды, степень бактериального загрязнения и
способ введения серебра в воду (фильтрация воды через посеребренные материалы; введение растворов солей серебра или других его соединений, отдающих в воду его ионы; электролитическое растворение).
Оказалось, что значительным преимуществом обладает метод электролитического растворения серебра в воде. При прочих равных условиях этот метод обеспечивает более высокий бактерицидный эффект, обусловленный осо82
бенностями состава раствора, образующегося при электролизе серебра. Наряду с ионами металла в нем обнаруживаются такие соединения, как хлорид,
перекись серебра и некоторые другие его соединения, также губительно
влияющие на микроорганизмы. Преимущества электролитического способа
введения в воду серебра связаны и с простотой его аппаратурного оформления, возможностями автоматизации. В основе этого способа лежит растворение в воде анода серебряной пары электродов при прохождении постоянного тока.
При введении в воду серебра погибают различные виды микроорганизмов,
включая возбудителей кишечных инфекций, вирусы и другую патогенную микрофлору. Существенно, что санитарно-показательное значение кишечной палочки в ряду патогенных бактерий сохраняется и по отношению к серебру.
Так было установлено, что при концентрации серебра 1,0 мг/л наибольшей устойчивостью обладает кишечная палочка, менее устойчивы возбудители дизентерии, еще чувствительнее к серебру возбудители брюшного тифа,
стрептококки и стафилококки. Таким образом, гибель кишечной палочки свидетельствует и о гибели патогенной микрофлоры.
Однако установлены и факторы, снижающие бактерицидное действие серебра. Эффект замедлялся при наличии в воде хлоридов в концентрациях более 60–100 мг/л. Тормозит влияние серебра и присутствие иона трёхвалентного
алюминия (А13+), что связывают с адсорбцией серебра на коллоидной гидроокиси алюминия. Аналогично, но менее выражено влияние ионов Fe2+, Fe3+, Ca2+,
SO4 и NO2, нивелируемое, однако, удлинением периода контакта.
Выявлена и определенная зависимость между степенью влияния анионов на
бактерицидный эффект серебра и величиной его валентности (РО 3- > SO 4 2>NO 2 - ). Аммиак и соли аммония не оказывали заметного влияния на бактерицидный эффект серебра, что объясняется образованием сереброаммиачного комплекса с высокой константой диссоциации.
Для гуминовых кислот был установлен предел 1 мг/л, превышение которого приводит к торможению бактерицидного действия серебра.
Применительно к электролитическому серебрению воды влияние её химического состава проявляется двояко: от него зависит не только образование
большего или меньшего количества соединений серебра, но и характер процесса его электролитического растворения. Последнее также зависит от
взвешенных в воде веществ и растворимых солей, способных значительно
снижать растворимость электродов или изменять течение на них электрохимических реакций.
К таким веществам относятся хлориды и сульфаты, образующие на серебряном аноде пленки хлорида и сульфата серебра, способствующие выделению
на аноде кислорода, также мешающего нормальному течению электролитического процесса. Аналогичным образом влияют карбонаты, сульфиды и фосфаты.
Консервирующее действие. Консервирующему действию серебра в воде посвящены обстоятельные исследования академика АН УССР Л. А. Кульского
с сотрудниками и НИИ гигиены водного транспорта (НИИГВТ).
83
Работы НИИГВТа показали, что взятые концентрации электролитического
серебра (0,05, 0,1 и 0,2 мг/л) в водопроводной воде обладают идентичным бактерицидным действием при 6-часовом периоде контакта с водой. Меньшие периоды контакта не изучались, т. к. целью эксперимента была консервация, а не
обеззараживание воды. К торможению бактерицидного эффекта во времени
приводило нарастание содержания хлоридов до 50 и сульфатов до 100 мг/л.
Однако совместное присутствие в воде хлоридов, сульфатов и железа выравнивало эффект во времени, вероятно, за счет появления вторичных активных соединений серебра. В случаях, когда развитие бактерицидного эффекта осложнялось условиями опытов (изолированное введение хлоридов – 50 мг/л, сульфатов – 100 мг/л, наличие взвешенных веществ), было очевидно преимущество
наибольшей взятой концентрации серебра – 0,2 мг/л.
Эти опыты показали также, что в связи с проявлением устойчивого бактерицидного эффекта лишь при соблюдении значительного периода контакта (6 – 24
ч и более) электролитическое серебро в изученных концентрациях можно рассматривать как самостоятельный агент для обеззараживания воды в судовых
условиях.
Что касается возможности консервирования питьевой воды серебром, то
этот вопрос был специально исследован. Результаты опытов показали, что консервация питьевой воды электролитическим серебром на срок до трех месяцев
возможна при полном соответствии её качества требованиям ГОСТа. Минимальная консервирующая концентрация серебра составляет в этих случаях 0,05
мг/л. Наилучшие условия для консервации создают лаковые антикоррозионные
покрытия (например, ХС-76), обладающие менее выраженными по отношению
к серебру сорбционными свойствами, чем цементные или полиизобутиленовые
покрытия. Повышение температуры хранения воды до 30 °С не ухудшает консервирующего эффекта.
При изучении возможности получения комбинированного бактерицидного и
консервирующего эффекта серебра в питьевой воде установлено, что концентрации его равные 0,2 – 0,4 мг/л, способны обезвреживать и затем консервировать питьевую воду. Даже в том случае, если количество микробных тел кишечной палочки в 1 мл достигает 1000 и при условии, что её физикохимические свойства соответствуют требованиям стандарта качества питьевой
воды. Несмотря на существенное снижение остаточных концентраций серебра
во времени в результате осаждения (сорбции) покрытием, их бактерицидность
распространяется также на вторичные микробные загрязнения (100 микробных
тел кишечной палочки в 1 мл), искусственно создававшиеся на 30-е и 60-е сутки опытов. Концентрация серебра, равная 0,05 мг/л, такого эффекта не оказывает.
В ходе экспериментов оказалось возможным также установить степень безвредности эффективных концентраций электролитического серебра для человека. Развернутые санитарно-токсикологические эксперименты показали, что
предельно допустимая концентрация серебра в питьевой воде составляет 0,05
мг/л. В настоящее время эта величина принята официально (ГОСТ Р 2874—93).
Для доведения концентраций серебра до допустимых и безвредных для челове84
ка возможно использование приемов десеребрения консервированной воды перед подачей её в водоразводящую сеть судна, усиление бактерицидности нетоксичных для человека концентраций серебра и использование сорбционных
(в отношении серебра) способностей антикоррозионных покрытий емкостей
для хранения консервированной воды.
7.4.2. Судовые устройства для консервации питьевой воды
Наибольшее распространение на судах получили ионаторы серебра отечественного и немецкого производства, обеспечивающие получение растворов серебра путём анодного растворения металла. Ионатор представляет собой стальной эмалированный изнутри сосуд с крышкой из пластмассы, на которой с
внутренней стороны на расстоянии 8 – 10 мм друг от друга установлены две погруженные в объём воды серебряные пластины (электроды). К этим электродам
подводится напряжение постоянного тока силой 150 мА, что обеспечивает концентрацию серебра в воде 0,1 мг/л при производительности насоса питьевой
воды 4 м3/ч. Дозирование серебра в воду производится по показаниям амперметра. Сила тока регулируется при помощи потенциометра.
Отечественный ионатор ЛК-28 (ИЭМ-50) напорного типа и состоит из двух
частей: гидравлической им электропульта, смонтированных в металлическом
корпусе. В собранном виде ионатор имеет габариты 0,58×0,44×1,81 м и массу
141 кг. Питается он от сети переменного тока напрояжением 220/127 В, имеет
мощность 150 Вт. При помощи ионатора можно перевести в раствор до 10 г/ч
серебра, что обеспечивает обработку около 50 м3/ч воды при дозе 0,2 г/л Ag+.
Запас серебра в кассете электролизера обеспечивает дезинфекцию 15000 м3 воды при условии 80 %-го износа электродных пластин. В комплект ионатора
входит запасная кассета.
Питьевая вода, обрабатываемая ионатором, должна быть прозрачной, не содержать большого количества органических веществ, а содержание хлор-иоиов
не должно превышать 100 мг/л, т. к. взвеси, органические вещества и хлориды,
взаимодействуя с ионами серебра, уменьшают их концентрацию в растворе и
понижают бактерицидное действие серебра. Необходимая доза серебра для обработки определяется степенью и характером бактериального заражения воды,
временем контакта серебра с обрабатываемой водой, её солевым составом, температурными условиями и другими факторами.
Для консервирования питьевой воды, соответствующей ГОСТу, следует
применять дозу серебра, равную 0,05 мг/л. Обеззараживание воды достигается
дозами серебра 0,2 – 0,4 мг/л.
При эксплуатации ионатора прежде всего устанавливают необходимую дозу
серебра.
Имея данные о количестве воды, подлежащей обеззараживанию, и о необходимой дозе серебра, регулируют работу ионатора.
Дозировка переводимого в раствор количества серебра рассчитывается по
закону Фарадея на основании показаний измерительного прибора (миллиамперметра или амперметра) с: внесением поправок на выход серебра (в зависи85
мости; от солевого состава воды и условий электролиза). Количество серебра а
(в мг), растворившегося в воде в результате электролиза,
а = kIT·n/100,
(58)
где k – электрохимический эквивалент серебра, равный 1,118 мг/(А·с); I – сила
тока, проходящего через воду, А; Т – время электролиза, с; п – выход серебра
по току, зависящий от солевого состава воды, %.
Дозирование серебра в воду ведут по времени на основании показаний амперметра.
Для удобства работы с ионатором на панели электропульта имеется таблица
перевода показаний амперметра в количество растворившегося серебра в г/ч и в
г/мин. Перед включением ионатора в работу на электропульте, где вынесены
системы
дозирования,
управления
и
сигнализации, производят настройку ионатора на расчетную дозу серебра.
Рис. 28. Гидравлическая схема ионатора ЛК-28:
1 – трубопровод пресной воды; 2 – резервуарнакопитель; 3 – клапан; 4 – электролизер; 5, 6, 7, и 8
– краны
Гидравлическая часть ионатора (рис. 28)
состоит из электролизера, резервуаранакопителя, соединительных трубопроводов,
вентилей и кранов.
Гидравлическая
часть
ионатора
подключается к магистральному трубопроводу питьевой воды параллельно при
помощи труб диаметром 1/2 дюйма, па магистральном трубопроводе 1 диаметром 100 мм устанавливается дроссельная диафрагма с внутренним диаметром
30 мм толщиной 4 мм, что обеспечивает поступление в ионатор примерно 4%
воды от общего расхода.
Заполнение электролизера водой при дозировании серебра в магистральный
трубопровод производится открытием клапана 3 и крана 6. В случае приготовления концентратов электролизер заполняется при открытии крана 5. При появлении воды из переливной трубки закрывается клапан 3. При переливе концентрата в резервуар-накопитель кран 7 должен быть открыт, а клапан 3 закрыт.
Концентрат из резервуара-накопителя расходуется через кран 8.
Институтом коллоидной химии и химии воды АН УССР был разработан
типоразмерный ряд ионаторов, поддерживающих постоянство концентрации
серебра в воде и при изменении, величины её расхода. В типоразмерный ряд
включены следующие ионаторы: ЛК-36 (ИМТ-3), ЛК-37 (ИМТ-6), ЛК-38
(ИМТЛО), ЛК-39 (ИМТ-25), ЛК-40 (ИМТ-50) (ионатор морской, типоразмерный, производительностью соответственно 3, 6, 10, 25 и 50 м3/ч).
86
Фильтры десеребрения воды также представлены в виде ряда: ФЭМ-1,
ФЭМ-3, ФЭМ-6 (фильтр-электролизер морской производительностью соответственно 1, 3 и 6 м3/ч).
Процесс удаления ионов серебра из воды в фильтрах-электролизерах основан на сорбции серебра гидроокисью алюминия, полученной путем анодного
растворения алюминиевого электрода. Хлопья гидроокиси алюминия с сорбированными на них ионами серебра задерживаются фильтрующей загрузкой
фильтра в процессе фильтрования и удаляются во время промывки фильтраэлектролизера обратным током воды. При расчетной скорости фильтрования
10 м3/ч обеспечивается снижение концентрации серебра в воде с 0,4 до 0,05
мг/л.
8. Технологии обработки воды для систем водоотведения
Мировой океан располагает огромными биологическими, энергетическими
и минеральными ресурсами. Он является крупнейшим поглотителем углекислого газа и производителем кислорода, поступающего в атмосферу Земли. Кислород образуют мельчайшие водоросли – фитопланктон, которые являются средством самоочищения океана и одновременно кормовым ресурсом зоопланктона. В свою очередь, зоопланктон является основным источником питания морских животных и рыб. Моря и океаны представляют собой аккумуляторы тепла
и регулируют климат планеты. Побережья морей и океанов служат местами отдыха людей, способствуют улучшению их здоровья и работоспособности. Всё
это обязывает нас поддерживать в чистоте Мировой океан и его берега.
В период бурного развития цивилизации, люди часто пренебрегают чистотой моря, сбрасывая в него всевозможные загрязняющие вещества. Ущерб, наносимый Мировому океану органическими, токсичными, минеральными и радиоактивными отходами, огромен, хотя подсчитать его в целом невозможно.
Одним из источников загрязнения морской среды веществами, вредными
для окружающей среды, являются неочищенные сточные воды хозяйственнобытового назначения и льяльные воды, имеющие в своём составе нефтеостатки
СЭУ. Вредное воздействие стоков заключается в том, что они загрязняют моря
нефтепродуктами, уничтожающими фитопланктон и зоопланктон, а также бактериями, которые могут заражать людей непосредственно или через морские
организмы, а также загрязняют побережье и пляжи, нарушая отдых и жизнедеятельность людей.
Особенно тяжелая обстановка складывается в портах и гаванях, где на сравнительно небольшой площади скапливается много судов. Поэтому проблема
очистки сточных вод всегда требует пристального внимания при судоходстве и
деятельности береговых предприятий.
Так как судоходство носит интернациональный характер, то проблему предотвращения загрязнения моря с судов невозможно решить только национальными мерами. В связи с этим в 1973 г. в Лондоне состоялась Международная
конференция по предотвращению загрязнения с судов, в которой приняли участие 79 стран, в том числе и Советский Союз. На этой конференции была пред87
ложена новая Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ-73/78), в которой изложены требования, направленные на сохранение чистоты морей и океанов. Требования к сбросу с судов сточных вод
изложены в Приложении IV Конвенции. В соответствии с этими требованиями
сброс сточных вод в море запрещается, за исключением случаев, когда:
• судно сбрасывает измельченные и обеззараженные сточные воды на расстоянии более 4-х морских миль от ближайшего берега, используя одобренную систему, или неизмельченные и необеззараженные сточные воды
на расстоянии 12 морских миль от ближайшего берега; в обоих случаях
накопленные в сборных цистернах сточные воды сбрасываются с судна
постепенно, при скорости судна не менее 4-х узлов;
• на судне действует одобренная установка для обработки сточных вод, на
которую имеется свидетельство Регистра, выданное в соответствии с требованиями ИМО;
• судно находится в водах, находящихся под юрисдикцией какого-либо государства, требования которого менее строги; в этом случае сброс сточных вод регламентируется законами этого государства.
В мировом судостроении создано немало типов установок для очистки судовых сточных вод. Они различаются технологией процесса очистки и конструкцией. Устройство и опыт эксплуатации этих установок требуют тщательного изучения с целью разработки рекомендаций по эксплуатации существующих
установок и возможного совершенствования процессов очистки.
8.1. Состав и основные характеристики судовых сточных вод
Судовые сточные воды включают хозяйственно-фекальные стоки от туалетов, медицинских помещений и помещений, в которых находятся живые животные, а также хозяйственно-бытовые воды от умывальников, ванн, прачечных и пищеблока.
Загрязнения в сточных водах находятся в нерастворенном (взвешенном),
растворенном и коллоидном состоянии. Нераство-ренные вещества в зависимости от размеров частиц и их плотности, а также скорости потока воды могут
всплывать на поверхности (жиры, бумага и пр.), находиться во взвешенном состоянии (суспензии), или оседать на дно (песок, куски органических веществ).
По химическому составу загрязнения состоят из минеральных составляющих (песок, глина, растворы солей, щелочей, кислот) и органических веществ
растительного и животного происхождения. К растительным относятся остатки
растений, плодов, овощей и злаков, бумаги, растительного масла и пр. К загрязнениям животного происхождения относятся физиологические выделения
людей и животных, остатки мускульных и жировых тканей животных и пр. Количество взвешенных веществ (ВВ) в судовых стоках обычно составляет 600–
800 мг/л. Органические загрязнения в стоках обычно составляют 60%, а минеральные – 40% от всей массы загрязнений.
С точки зрения воздействия на окружающую среду в сточных водах содержатся бактерии, паразиты, вирусы, заражающие морских животных и людей;
88
плавающие частицы органического и неорганического происхождения, удерживающиеся на воде в виде кусочков или суспензий, представляющие серьезную проблему с точки зрения использования прибрежных районов для отдыха.
Бактериальные загрязнения – это живые микроорганизмы, попадающие тем
или иным путем в воду. Масса бактерий в сточной воде велика. Установлено,
что суммарный объем тел бактерий достигает 0,04% объема сточных вод. Благоприятные условия для жизнедеятельности и размножения бактерий – наличие
в сточных водах органических загрязнений. Среди бактерий в сточных водах
есть безвредные (сапрофиты) и болезнетворные (патогенные). К последним относятся возбудители кишечно-желудочных заболеваний: брюшного тифа, холеры, дизентерии. Кроме того, в сточных водах содержится много яиц гельминтов
(глистов).
Патогенные бактерии и вирусы после попадания со сточной водой в море
выживают в морской воде длительное время, достаточное для непосредственной передачи инфекции человеку, попадания в организмы морских животных и
нанесения ущерба их жизнедеятельности. В табл. 6 приведены данные о продолжительности сохранения жизнеспособности некоторых патогенных микроорганизмов в морской воде.
Бактериальную загрязненность сточных вод характеризуют величиной колититра, наименьшим объемом сточной жидкости в миллиметрах, в котором содержится одна палочка Coli. Под коли-индексом подразумевают количество
кишечных палочек Coli, находящихся в 1 л (1 мл) жидкости. Обычно колииндекс судовых фекальных стоков составляет 1010–1012 1/л, а для хозяйственнобытовых и фановых вод в пределах 107–109 1/л.
Таблица 6
Сроки выживаемости организмов в морской воде при 20 °С, сутки
Объект
Кишечная палочка
Дизентерийные бактерии
Холерный вибрион
Вибрион Эль-Тор
Бактерии брюшного тифа
Бактерии сибирской язвы
Вирус полиомиелита
Яйца аскариды
Личинки аскариды
Сроки
выживаемости
организмов в морской воде
при 20°С, сутки
3 – 16
2–7
15 – 20
10 – 13
7–9
30 и более
8 – 15
300 и более
150 – 200
Нечистоты и отбросы, содержащиеся в сточных водах, являются благоприятной средой для развития в воде аэробных бактерий. Под действием этих бактерий органические составляющие сточных вод подвергаются сложным физико-химическим и биологическим процессам окисления и распада. В результате
такого распада происходит разложение органических веществ на более простые
с переводом их в газы и минеральные вещества.
89
Количество кислорода, которое должно быть затрачено на биохимическое
окисление органических веществ в 1 л воды, называется биохимической потребностью в кислороде (БПК). По величине БПК, мг/л, можно судить о степени загрязненности сточных вод. Чем больше БПК, тем загрязненность воды
выше. Различают БПКп (полное) и БПК5 (за 5 дней). Для бытовых сточных вод
между БПК5 и БПКп соблюдается зависимость БПКп = 1,5 БПК5. БПК5 судовых
фекальных стоков составляет 600–800 мг/л. а хозяйственно-бытовых вод – 250–
300 мг/л.
Показатель БПК не полностью характеризует количество органических веществ, содержащихся в сточной воде, т. к. часть из них не поддается биохимическому окислению, а часть веществ расходуется на прирост биомассы. Поэтому для определения полного количества кислорода, необходимого для окисления всех органических загрязнений сточных вод, применяют химические методы – йодатную или бихроматную окисляемость.
Масса кислорода, необходимая для окисления органических веществ химическими методами, называется химической потребностью в кислороде и обозначается (ХПК). Обычно БПКп бытовых сточных вод составляет 86% от ХПК.
Важным показателем качества сточной воды является показатель концентрации водородных ионов рН, характеризующий реакцию воды – кислотность
(рН<7) или щелочность (рН>7).
Наиболее благоприятной средой для жизнедеятельности микроорганизмов в
судовых сточных водах является нейтральная реакция воды, где рН=7,2–7,5.
8.2. Требования к судовым установкам для очистки сточных вод
Требования Регистра к устройству для предотвращения загрязнения моря
сточными водами применяются к новым судам в полном объеме, а также к действующим судам валовой вместимостью 200 per. т и более, валовой вместимостью менее 200 per. т, на которых допускается перевозка людей в количестве
более 6 чел., с неустановленной валовой вместимостью, на которых допускается перевозка людей в количестве более 6 чел.
Любое судно должно быть оснащено одним из видов оборудования:
• установкой для обработки сточных вод и сборной цистерной;
• установкой для измельчения и обеззараживания сточных вод и сборной
цистерной;
• сборной цистерной.
Система должна исключать возможность сброса необработанных сточных
вод в районах, запрещенных для сброса.
Установка для обработки сточных вод должна обеспечивать степень очистки, не превышающую следующих показателей:
БПК5 не более 50 мг/л;
Коли-индекс = 250/100 мл;
ВВ =50 мг/л (при испытаниях на берегу); при испытаниях на судне (x + 100
мг/л), где х – количество ВВ в промывочной воде, подаваемой в санитарные
приборы.
90
Пропускная способность установки, л/сут, должна определяться по формуле Q = nq, где п – число людей; q – суточное количество сточных вод на одного человека, л/сут.
Суточный объем накопления хозяйственно-фекальных стоков принимается
в соответствии с Правилами Регистра:
• для транспортных судов – 100 л/сут на 1 чел. при БПК5 = 350 мг/л, и
содержании ВВ = 350 мг/л;
• для судов рыбопромыслового флота I категории – 50 л/сут.;
• для судов остальных категорий – 25 л/сут.
Установки для обработки сточных вод допускается размещать в машинно-котельных помещениях или газонепроницаемых выгородках с принудительной вытяжной вентиляцией, обеспечивающей не менее 15-и кратного обмена воздуха в час. Все элементы установки и относящиеся к ней насосы, трубопроводы и арматура, соприкасающиеся со сточными водами, должны быть
надежно защищены от их агрессивного воздействия.
Необходимо предусмотреть устройство для отбора проб очищенных и
обеззараженных вод.
Измельчающее устройство должно обеспечивать измельчение частиц загрязнений до величин, не превышающих 25 мм.
Каждая судовая установка для очистки и обеззараживания сточных вод
должна быть одобрена Регистром, и иметь Свидетельство о типовом испытании (СОТИ) установленной формы.
Типовые испытания установок проводятся на заводе-изготовителе или на
судне. После проведения испытаний судну должно быть выдано Международное свидетельство о предотвращении загрязнения моря сточными водами
соответствующей формы.
8.3. Методы и оборудование для очистки судовых сточных вод
В практике мирового судостроения применяются самые разнообразные способы очистки сточных вод. Все известные способы очистки основаны на трёх
принципах: механическая, физико-химическая и биологическая очистка.
М е х а н и ч е с к а я очистка заключается в механическом измельчении нерастворенных веществ с помощью дробильных аппаратов различных конструкций. Далее сточная вода очищается отстаиванием и фильтрованием в механических фильтрах, ситах, прессах или центрифугах. Очищенная вода перед
сливом за борт обязательно обеззараживается.
При механической очистке из стоков удаляется до 80% ВВ. Этот принцип использован в судовых установках небольших экипажей судов
численностью 10–50 чел. Качество очистки этим методом по биологическим
показателям значительно ниже, чем физико-химическая или биологическая очистка.
После измельчения механических примесей стоки обычно поступают в
цистерну, где твердые частицы осаждаются. Осадок затем передают на берег
или сжигают на судне. Очищенную воду обезвреживают кристаллическим йо91
дом. Фирма «Электролюкс» (Швеция) выпускает установку с вакуумной
транспортировкой стоков. В установке фекальные воды смывают небольшим
количеством воды из унитазов специальной конструкции, отсасывают в сборную цистерну, отстаивают и обеззараживают, а осадок периодически перекачивают в установку для утилизации (обычно сжиганием).
Установки, использующие механический принцип очистки сточных вод,
требуют значительных трудозатрат на ручную чистку фильтров и сит. Степень очистки сточных вод на этих установках не удовлетворяет требованиям
времени. Комплекс для механической очистки сточных вод должен включать
дорогостоящее устройство для сжигания образовавшихся осадков (инсинератор). Поэтому трудно ожидать особых перспектив механического принципа очистки сточных вод в будущем.
Ф и з и к о - х и м и ч е с к а я очистка сточных вод применяется на судах
чаще механической. Установки, работающие по этому принципу, можно разделить на следующие группы:
1. Химическая очистка с помощью химических реагентов. В качестве химических реагентов могут использоваться: хлорсодержащие препараты и тиосульфат натрия (установки типа «Хлор-контакт»), хлорное железо, железный
купорос, сернокислый алюминий и пр. Указанные реагенты при добавлении в
воду вступают в реакцию с загрязнениями и способствуют их обеззараживанию хлором и обеспечивают нейтрализазию соляной кислоты или обеспечивают коагуляцию загрязнений и выпадение их в осадок при отстаивании
(осветление). Далее после фильтрации на механических фильтрах очищенная
после осветления вода обеззараживается ультрафиолетом или хлором и может
использоваться повторно, например, в системе смывной воды туалетов. Образовавшиеся после осветления стоков осадки необходимо сдавать на берег,
сжигать на судне или сбрасывать в море в зонах, не контролируемых МАРПОЛом. Установки, использующие химический принцип очистки сточных вод,
разработаны и выпускаются фирмами «Атлас» (Дания), «Электролюкс» (Швеция), «Аквадам» (Япония), «Эльсан Коваль» (Англия).
Применение химической очистки приводит к большому расходу химических реагентов – до 500–700 г/м3. Необходимо наличие специальных резервуаров для растворения, хранения и дозировки растворов реагентов, постоянное
участие обслуживающего персонала в подготовке их для использования на судне. Степень очистки сточных вод при химической очистке относительно мала:
по ВВ – 75–80%; по БПК5 – 70–75%. Для повышения степени очистки сточных
вод необходимо использовать для доочистки стоков, например, механические
фильтры. При этом полная автоматизация процесса очистки стоков физикохимическим методом затруднительна.
2. Электрохимическая очистка, основанная на пропускании через сточную
воду постоянного тока с помощью погруженных электродов для создания процесса электролиза веществ. В одних случаях используются растворимые электроды из алюминия или железа, которые при растворении в воде, образуют
гидраты окисей металлов. Последние, в свою очередь, способствуют ко92
агуляции загрязнений. Поэтому указанный способ очистки еще называют
электрохимической коагуляцией.
В отечественных установках типа ЭОС, использующих принцип электрохимической коагуляции, для получения коагулянта применяются алюминиевые электроды и электроды из нержавеющей стали, а для обеззараживания стоков хлорированием – все электроды из нержавеющей стали. Поэтому для обеззараживания стоков используется активный хлор, который выделяется на анодах под действием постоянного тока. Для усиления этого процесса в воду рекомендуют добавлять поваренную соль (NaCl). Во Франции выпускаются подобные установки с алюминиевыми и серебряными электродами, которые позволяют одновременно с коагуляцией проводить обеззараживание очищенной воды.
В других случаях используются электроды, например, из графита. При
этом на аноде выделяется кислород, который окисляет органические вещества в сточной воде, чем обусловливает достаточный эффект очистки.
Применение электрохимической коагуляции связано со значительным расходом металла и электроэнергии. На практике удается использовать только
50–70% металла электродов вследствие зашламления электродных камер и
возникновения их электрических пробоев. Фактический расход электроэнергии на растворение электродов значительно превышает теоретические
значения вследствие затрат электроэнергии на нагрев воды, поляризацию
электродов, преодоление электрических сопротивлений окисных пленок на поверхности электродов.
Степень очистки сточных вод электрокоагуляцией невысока: 70–85% по ВВ
и 70–75% по БПК5. После доочистки фильтрованием стоков степень очистки
по ВВ можно довести до 95%.
3. Очистка флотацией основана на электрокинетическом налипании мельчайших частиц загрязнений на поверхности пузырьков тонкодиспергироваиного воздуха. При этом загрязнения (ВВ) всплывают и их удаляют в виде флотошлама с горизонтальной поверхности раздела вода-воздух. Для повышения
качества очистки сточных вод процессу флотации обычно предшествует предварительная коагуляция основных загрязнений с помощью введения в очищаемую воду химических реагентов для коагуляции или денитрификации загрязнений. Метод очистки сточных вод флотацией применяется в судовой установке типа «Puripak» фирмы «Вестингауз» (США). Данный метод очистки хорошо
зарекомендовал себя в установках для очистки льяльных вод.
4. Очистка озонированием основана на высокой окислительной способности атомарного кислорода, который образуется при самопроизвольном распаде озона при нормальной температуре окружающей среды. Окисление органических веществ, находящихся в стоках, при использовании озона гораздо
быстрее и эффективнее (в 15–20 раз быстрее и на 50 % сильнее), чем при хлорировании. В процессе озонирования одновременно происходят окисление органических примесей, обесцвечивание, дезодорация, обеззараживание воды
и насыщение её кислородом. Достоинством этого метода является то, что в
сточные воды дополнительно не вводятся загрязняющие химические реагенты. В то же время озон является достаточно токсичным (удушающим) га93
зом, его предельно допустимая концентрация в воздухе зоны обслуживания
по технике безопасности должна быть менее 0,1 мг/м3. В судовых условиях
получение озона вызывает трудности вследствие высокого влагосодержания в
машинном отделении судна и высокой температуры воздуха, поступающего в
разрядный озонатор.
5. Очистка стоков жидкофазным окислением по принципу рекуперативного нагрева сточной воды в реакторе под давлением (не менее 2,3 МПа),
обеспечивающем температуру её кипения до 200–300 0С в присутствии растворённого в ней кислорода воздуха. При этом органические вещества, содержащиеся в сточных водах, интенсивно окисляются до углекислоты, азота, воды и других веществ, превращаясь в минералы. Вода термически умягчается,
дезодорируется и обеззараживается одновременно. После её охлаждения и осветления от образовавшегося шлама, она может использоваться во вспомогательной котельной установке судна в качестве питательной или для других
технических целей. Эффективность очистки сточных вод зависит в основном
от температуры и времени обработки.
Технологические расчёты аппаратов жидкофазного окисления включают в
себя в основном определение оптимальных температуры и времени окисления
в зависимости от параметров утилизируемого теплоносителя, по которым устанавливается объём реактора и производительность установки.
Процесс жидкофазного окисления наиболее эффективен в присутствии катализаторов и при высокой концентрации загрязнений в сточных водах. Поэтому целесообразно обработку загрязнений жидкофазным окислением выполнять на установках, обрабатывающих сточные воды систем, использующих малое количество мытьевой воды (вакуумные системы), например, на
атомных подводных аппаратах или буровых нефтедобывающих платформах.
6. Очистка испарением проводится по принципу испарения заранее измельченных стоков в испарителе в присутствии обеззараживающих химических реагентов. Такие устройства ещё называют установками «нулевого
сброса». Испарившаяся жидкость конденсируется и может использоваться
вторично. Твердые отходы отводятся в сборную цистерну для сдачи на берег или сжигаются на судне в инсинераторе. Установки «нулевого сброса»
выпускаются английскими фирмами «Бабкок и Вилькокс», «Вильсон, Валтон», «Тикол корпорейшн, Вригхам сити». Большой расход электроэнергии
и химикатов, а также необходимость в частом удалении осадка пока сдерживают применение этого метода на морском транспорте.
Методы физико-химической очистки судовых сточных вод нашли значительное применение на мировом флоте. Применяются они и на отечественных судах, в основном построенных за рубежом. Установки с физикохимическими принципами очистки сточных вод обладают следующими достоинствами: они малочувствительны к гидравлическим колебаниям потока воды;
могут работать в автоматизированном режиме, а на номинальный режим
работы выходят сразу же после запуска; могут обрабатывать все сточные и
хозяйственно-бытовые воды.
94
К недостаткам систем с физико-химическими принципами очистки можно
отнести следующие:
высокие построечные и эксплуатационные затраты;
• необходимость частых остановок для чистки устройств;
• сложность системы управления и контроля;
• необходимость усиленной вентиляции;
• вредность работы с химическими реагентами;
• необходимость снабжения судов реагентами, специальными электродами, что вызывает дополнительные эксплуатационные расходы и
не всегда возможно;
• коррозия металла оборудования из-за работы в агрессивных средах.
Сопоставление достоинств и недостатков принципа физико-химической
очистки сточных вод показывает, что в настоящее время такие устройства
требуют постоянного квалифицированного ухода и при малочисленных экипажах не могут занять ведущего положения при использовании на судах.
Б и о л о г и ч е с к а я о ч и с т к а судовых сточных вод основана на процессе минерализации загрязнений при помощи аэробных биохимических процессов. Эти процессы происходят в ёмкостях с принудительной аэрацией, так
называемых аэротенках.
В судовых установках биологической очистки (УБО) нашли применение аэротенки, в которых сточные воды обрабатываются биологически активным
илом. Активный ил состоит из хлопьев, густо заселенных аэробными микроорганизмами, способными осуществлять минерализацию органических загрязнений сточных вод в присутствии кислорода воздуха. Для поддержания
жизнедеятельности бактерий смесь стоков с активным илом непрерывно перемешивается и аэрируется. После обработки в аэротенке очищенные стоки отстаиваются, обеззараживаются и удаляются за борт или на повторное использование. Обычно судовые УБО предусматривают очистку лишь фекальных вод.
Обезжиренные камбузные стоки и хозяйственно-бытовые воды на судах проходят обычно только процесс обеззараживания.
Работа УБО характеризуется следующими показателями:
• нагрузкой на активный ил (R, гБПКп/кг·сут), которая свидетельствует о
массе загрязнений из 1 м3 стоков, приходящейся на 1 кг активного ила;
• рабочим возрастом ила ( τ Р, сут), качественно свидетельствующим о
скорости воспроизводства активного ила – чем меньше τ p, тем
больше скорость воспроизводства бактерий;
• концентрацией активного ила (С, кг/м3);
• удельным расходом воздуха на окисление загрязнений (g, кг/кг).
Биологическая очистка осуществляется в установках двух типов.
1. Установки, использующие режим «продленной аэрации», когда стоки
аэрируются в течение 16–24 ч. При этом органические загрязнения полностью окисляются, или «сгорают». В установках этого типа стоки поступают на
очистку без первичного отстоя. В аэротенке загрязнения в стоках минерализуют стабилизированным илом и затем стоки переводят в отстойник. Осевший в
95
отстойнике активный ил возвращают в камеру аэрации. Масса возвратного
ила может достигать 300 % от объема стоков. Можно использовать для отстаивания и сам аэротенк.
Достоинством установок, работающих в режиме продленной аэрации, является то, что они работают с очень малым приростом ила, причем выводимый из установки избыточный ил имеет высокую зольность. Эффект очистки
стоков по ВВ в установках с продленной аэрацией составляет 75–80 %. Аэрация
проводится при следующих условиях: R = 50 гБПК п /кг·сут; τ Р = 25 сут;
С = 5 кг/м3. Средний эффект очистки по БПК составляет 90–95%.
В установках продленной аэрации иногда наблюдается повышенный вынос
ВВ. Это обусловлено тем, что активный ил в этих установках имеет легко подвижные хлопья. Поэтому для этих установок характерно повышенное время
отстаивания – 4–5 ч. В связи с большим временем аэрирования и отстаивания
стоков метод продленной аэрации рационально использовать только в установках малой производительности, например в УБО транспортных судов.
2. Установки с отдельной минерализацией активного ила, отличающиеся
тем, что длительность периода аэрации стоков здесь сокращена до 4 ч. При
этом степень окисления стоков по БПК составляет 75–85%. Очистка проводится при следующих условиях: R=150 гБПКп/кг·сут; τ Р =9 сут; С = 3,5 кг/м3.
Указанная технология очистки связана с образованием существенной массы
избыточного ила. Поэтому такие установки комплектуются специальной емкостью – аэробным стабилизатором, где при непрерывной аэрации в течение 5–
10 сут происходит минерализация избыточного ила. При этом степень очистки
по ВВ достигает 85–90%. Применение метода очистки с отдельной минерализацией ила позволяет значительно уменьшить вынос ВВ. Вследствие малого времени аэрирования стоков можно значительно повысить производительность
установки. Такие установки целесообразно использовать на пассажирских и
промысловых судах с большим экипажем.
К недостаткам установок биологической очистки сточной воды необходимо отнести следующие:
• для вывода УБО на нормальный рабочий режим при выращивании активного ила на судне требуется значительное время – от 10 до 25 сут;
однако в портах возможно организовать зарядку установок активным
илом от действующих аналогичных УБО, стоящих в порту судов, или от
очистных сооружений порта, вследствие этого ввод установок в режим
возможен в течение суток;
• УБО чувствительны к гидравлическим колебаниям нагрузки, к колебаниям солесодержания сточной воды и изменениям её температуры;
• на процесс очистки воды отрицательное влияние оказывают жиры,
масла, поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые могут попадать в стоки.
В то же время биологическая очистка стоков обладает целым рядом преимуществ по сравнению с другими принципами очистки:
• высокая степень очистки стоков, возможность повторного использования
96
очищенной воды для смыва туалетов;
• простота установок типа УБО, что обусловливает их невысокую стоимость и простоту обслуживания;
• возможность полной автоматизации процесса очистки воды;
• малые расходы химических реагентов в процессе эксплуатации УБО
(только для дезинфекции очищенных стоков).
Характерно то, что судовые УБО, хотя и нуждаются в дальнейшем совершенствовании, в настоящее время вытесняют на вновь строящемся флоте установки, использующие другие методы очистки сточных вод. Качество очистки
в УБО соответствует требованиям МАРПОЛа и Регистра к качеству обработанных стоков с судов.
По всей видимости, для транспортных судов с численностью экипажа до
100 человек наиболее перспективны УБО с продленной аэрацией сточных
вод. Для пассажирских и промысловых судов при большой численности экипажа и пассажиров перспективными представляются УБО с отдельной минерализацией избыточного активного ила.
8.4. Основы метода биологической очистки сточных вод
Процесс биологического удаления органических загрязнений в сточных
водах проходит под воздействием сложного биоценоза, образовавшегося в аэротенке. Основную роль при этом играют бактерии, обладающие способностью образовывать колонии в виде активного ила. Внешне активный ил
представляет собой хлопья от белесо-коричневого до темно-коричневого
цвета. Хлопья состоят из большого числа многослойно расположенных бактериальных клеток, заключенных в слизь. Размер хлопьев колеблется от едва
визуально различимых до величины 2–3 мм и более.
В активном иле присутствуют также водные грибы и дрожжи, могут присутствовать простейшие организмы и другие, более организованные представители фауны: коловратки, черви, личинки, водные клещи и пр.
Микробиальный состав активного ила в значительной мере зависит от вида
загрязнений, присутствующих в сточной воде, т. к. отдельные виды бактерий
предпочитают избирательное питание определенными компонентами загрязнений. Количество бактерий в активном иле очень велико и составляет от
1·10 9 до 4·1010 1/г. Сухое, вещество активного ила на 70–90% состоит из органических веществ, а на 10–30 % – из минеральных, 70% массы органических составляющих приходится на белки, остальное – на жиры, углеводы и
прочие. Активный ил имеет большую удельную поверхность, величина которой достигает 100 м2 на 1 г сухого вещества. Благодаря развитой поверхности
активный ил обладает большой адсорбционной способностью и ему присуще
свойство связывать значительное количество воды.
Очистка сточных вод идет только в результате жизнедеятельности микробов. Так, в начальный период очистки стоков в аэротенках развиваются
только бактерии. Простейшие появляются позже и в окислении сточных вод
участия не принимают. В свою очередь, простейшие питаются бактериями, ве97
дущими очистку воды, и их наличие оказывает заметное влияние на снижение
количества патогенных бактерий и кишечной палочки. Наличие в активном
иле простейших обеспечивает высокий процент задержания Coli (до 98%), а
скорость отмирания Coli в присутствии простейших увеличивается в 9 раз. Поэтому наличие простейших улучшает качество воды, особенно снижает мутность. Черви, клещи, личинки, питающиеся илом, не играют значительной роли
при очистке стоков.
Процесс изъятия органических веществ из сточных вод и их потребления
микроорганизмами условно разделен на три стадии:
• массоотдача органического вещества из воды к поверхности клетки;
• диффузия вещества через полупроницаемые мембраны, а в необходимых
случаях – гидролиз органических загрязнений с образованием продуктов,
способных диффундировать через мембраны;
• отмирание диффундированных продуктов с выделением энергии и синтезом нового клеточного вещества.
Таким образом, органические вещества из сточной жидкости используются
бактериями активного ила с помощью внутриклеточных ферментов. В процессе окисления стоков происходит прирост активного ила за счет клеточного
синтеза и частичного изъятия из воды биохимически неразлагаемых веществ.
Одновременно происходит уменьшение массы ила за счет эндогенного дыхания (гибели отживших бактерий).
Прирост биомассы зависит от вида бактерий, их возраста, химической природы органических соединений, отношения БПКп к концентрациям фосфора и
азота в сточной воде, температуры процесса и пр. В СНиП П-32-74 прирост ила
(Пр) определен как функция взвешенных веществ и БПКп. Численное значение
Прmax подсчитывается без учета эндогенного дыхания по зависимости
Пр mах = 0,8 BB + 0,3L,
(59)
где ВВ – концентрация ВВ в воде, поступающей в аэротенк; L– БПКп
сточной воды, поступающей в аэротенк.
Для установок с продленной аэрацией сточных вод прирост активного ила
подсчитывается по зависимости
Прс = β RV.
(60)
Здесь Прс – прирост активного ила по сухому веществу, г/сут; V – полезный объем аэротенка, м3; β – коэффициент прироста активного ила, для
установок с продленной аэрацией – от 0,3 до 0,6; R – нагрузка на ил (скорость окисления), БПК/кг.
Скорость очистки зависит от количества микроорганизмов, находящихся в
аэротенке, дозы активного ила и условий их обитания. В судовых УБО доза
активного ила обычно принимается в пределах 3–6 кг/м3. Величина дозы активного ила в аэротенке зависит от «илового индекса», который характеризует
способность активного ила к осаждению в процессе отстаивания. Чем меньше иловый индекс, тем лучше осадительные свойства ила и тем большую дозу
его можно поддерживать в аэротенке. Эта зависимость представлена по данным В.С. Мельника и С.М. Сурина в табл. 7.
98
Таблица 7
Иловый индекс,
мг/л
50
80
120
150
Доза ила,
г/л
Иловый индекс,
мг/л
Доза ила,
г/л
6,0
4,3
3,0
2,5
200
250
300
2,0
1,5
1,0
Интенсивность потребления загрязнений бактериями может уменьшаться
при увеличении дозы активного ила. Это объясняется ухудшением условий
питания отдельных клеток. Для увеличения скорости очистки необходимо
обеспечить достаточное перемешивание активного ила в потоке сточной воды.
Турбулентность потока вызывает распад хлопьев ила на мельчайшие колонии
микробов и приводит к быстрому обновлению поверхности раздела между
микроорганизмами и окружающей средой. Это обеспечивает увеличение скорости поступления питания и кислорода к микроорганизмам. Одновременно
улучшаются условия оттока продуктов метаболизма в воду, и повышается скорость очистки. Для нормальной работы аэротенка необходимо поддерживать
следующую минимальную скорость потока циркуляции иловой смеси:
0 , 22
Wmin ≥ 5,3 ωос Н .
(61)
Здесь Wmin – минимальная скорость потока циркуляции иловой смеси, м/с;
ωoc – средняя скорость осаждения активного ила, которая в среднем рекомендуется 0,003 м/с; Н –глубина аэротенка, м.
Установлено, что минимальная скорость иловой смеси в аэротенках
должна быть 0,25–0,30 м/с. Высказывалось мнение, что дробление хлопьев
активного ила меняет его седиментационные характеристики. Однако доказано, что дробление хлопьев в зоне высокой турбулентности воды не оказывает неблагоприятного влияния на очистку, т. к. в областях с более низкой
турбулентностью отдельные клоны бактерий вновь соединяются в хлопья, а
физиологическое состояние ила не ухудшается. Поскольку скорость осаждения
ила определяется не размерами хлопьев, а размерами оседающих агрегатов,
образующихся в результате флокуляции, то явление дробления хлопьев не
должно оказывать заметного влияния на скорость осаждения ила.
Условия обитания микроорганизмов также оказывают существенное влияние на скорость окисления загрязнений. Снабжение активного ила кислородом
является одним из основных факторов, влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов. Недостаток кислорода приводит к нарушению обмена веществ
клеток и к снижению скорости окисления загрязнений. Поэтому концентрация
кислорода в очищаемой воде должна поддерживаться 2–3 мг/кг. Низкие концентрации кислорода не только понижают общую скорость окисления загрязнений, но и сказываются на степени их обработки, т. к. при этом окисляется
только часть потребляемого углерода, которая переходит в протоплазму клетки. Большая часть углерода остается в растворе в виде продуктов обмена.
99
Известно, что интенсивность жизнедеятельности микроорганизмов зависит от температуры среды обитания. Чем выше температура, тем активнее
ферменты бактериальных клеток ила. Так, повышение температуры воды в, аэротенке от 20 до 40 °С приводит к увеличению окислительной мощности активного ила на 60%. Повышение температуры воды более 40°С ведет к гибели
микроорганизмов. Понижение температуры ведет к ухудшению процесса флокуляции, повышению илового индекса и к увеличению выноса ВВ после отстаивания. Особенно плохо сказываются на жизнедеятельности бактерий резкие колебания температуры очищаемой воды. Установлено, что для большинства видов микробов активного ила величина оптимальной температуры очищаемых стоков лежит в пределах 20–30°С.
Насыщение воды кислородом проводится в аэротенках с помощью специальных аэраторов или непосредственно из атмосферы. В судовых УБО обычно воздух подается в аэротенки от компрессоров или воздуходувок через аэраторы различного типа. В свою очередь, эти аэраторы подразделяются по размерам продуцируемых воздушных пузырей на мелкопузырчатые с диаметром
пузырьков 1–4 мм и среднепузырчатые с диаметром воздушных пузырьков
5–10 мм. Последние, чаще выполняются в виде горизонтальных перфорированных труб с продольными прорезями либо вертикальных труб с открытым
нижним концом. К мелкопузырчатым можно отнести и эжекционные аэраторы,
в камере смешения которых происходит тонкое диспергирование воздуха с
размером пузырьков менее 2 мм.
Механизм массопередачи кислорода из воздушных пузырьков в сточную
воду, а затем в активный ил рассматривался многими исследователями. Наиболее полное описание он получил в теории В. Левича о диффузионном пограничном слое. При этом перенос кислорода из пузырька в жидкость рассматривался в трех фазах: в момент образования пузырька; при прохождении
пузырька через слой сточной жидкости; в момент выхода пузырька на поверхность воды.
В момент образования и роста пузырька на выходе из аэратора происходит
интенсивное обновление поверхности контакта воды с воздухом при высокой
интенсивности переноса кислорода из воздуха в воду. Считается, что в фазе
образования пузырька воде передается 25–30% кислорода от всей его массы,
переданной сточной жидкости за время контакта с пузырьком. Движение оторвавшегося пузырька на некотором расстоянии от аэратора стабилизируется,
и в дальнейшем скорость пузырька приблизительно постоянна. Поэтому можно считать, что коэффициент массообмена пузырька и воды во второй фазе
также постоянный. При выходе пузырька на поверхность воды он лопается и
сбрасывает в жидкость насыщенную кислородом пленку.
Скорость подъема пузырька зависит, прежде всего, от его диаметра. Наименьшая скорость подъема отмечена у пузырьков диаметром 2–6 мм (около 23
см/с). Причем пузырьки диаметром менее 2 мм поднимаются прямолинейно,
а при диаметре 2 мм и более – по спирали. При перемешивании сточной воды
в аэраторе, когда пузырьки движутся в вихревых потоках, конечная скорость
их подъема уменьшается. По данным работы Я. А. Карелина и соавторов,
100
пузырьки имеют форму сферы только при числах Рейнольдса Re ≤ 300. В
области чисел Рейнольдса 300 ≤ Re ≤ 4000 они имеют эллиптическую форму и поднимаются прямолинейно с покачивающимися движениями. При
Re ≥ 4000 пузырьки имеют форму сферических шляпок и движутся по спирали.
Объемные коэффициенты массоотдачи кислорода из пузырьков в сточную воду зависят от размеров пузырьков и скорости их подъема. С уменьшением размеров пузырьков площадь межфазового контакта растет, при этом
уменьшается скорость подъема, что приводит к замедлению процесса обновления поверхности пузырька и к замедлению массоотдачи кислорода. Следовательно, объемные коэффициенты массоотдачи достигают максимальных
значений при определенных размерах пузырьков. Так, по данным вышеуказанной работы, наибольшие величины коэффициентов массоотдачи получены для
пузырьков диаметром 2,0–2,5 мм. При изменении диаметра в ту или иную сторону они уменьшаются.
Наиболее эффективными являются мелкопузырчатые аэраторы; они позволяют создать в воде наибольшую контактную поверхность воздушных пузырей и обеспечивают перемешивание стоков в аэротенке.
Глубина погружения аэраторов в сточную воду также оказывает существенное влияние на его работу, так как определяет длительность контакта пузырька с воздухом. С увеличением глубины погружения аэратора увеличивается коэффициент использования кислорода воздуха в пузырьке. С другой стороны, увеличиваются энергозатраты на сжатие воздуха для его подачи с
большой глубины. Поэтому для каждого типа аэраторов должна существовать
оптимальная глубина погружения, которая определяется минимумом энергозатрат на окисление стоков.
8.5. Методы обеззараживания судовых сточных вод
Одной из основных задач очистки вод является обеззараживание стоков
перед их удалением в море или реку с целью предупреждения бактериального
загрязнения. Обеззараживающий эффект любого бактерицидного реагента
после растворения в воде зависит от ряда факторов:
• дозы и степени активности бактерицидного агента;
• времени контакта с обрабатываемой водой;
• количественного содержания бактерий в обрабатываемой воде;
• степени поглощаемости бактерицидного агента водой и включениями;
• стойкости бактерий и вирусов к данному бактерицидному агенту.
Зависимость концентрации обеззараживающего агента от времени, необходимого для снижения концентрации бактерий до заданной величины, может
быть рассчитана по формуле
Сп· τ =К.
(62)
Здесь С – концентрация обеззараживающего агента; т – время контакта, необходимое для снижения концентрации бактерий на заданный процент; п – коэффициент поглощения; К – постоянная резистентности микроорганизма по
101
отношению к данному обеззараживающему реагенту, которая обычно зависит
от вида микроорганизма, свойств реагента и от рН среды.
В настоящее время обеззараживание судовых стоков может осуществляться
следующими способами: обработкой воды хлорсодержащими реагентами,
озоном или ультрафиолетовым облучением.
Обработка х л о р с о д е р ж а щ и м и р е а г е н т а м и нашла наибольшее
применение на морских судах. Свободный хлор, как было описано ранее, образует с водой хлорноватистую кислоту, которая химически неустойчива и разлагается с образованием атомарного кислорода и соляной кислоты:
HOCl→HCl+O.
Атомарный кислород интенсивно окисляет вещества, входящие в протоплазмы клеток бактерий, вследствие чего последние погибают.
Наиболее чувствительны к хлору бациллы брюшного тифа, дизентерии и
вибрионы холеры. Органические соединения, оставшиеся в сточной воде, способны поглощать свободный хлор. Поэтому при хлорировании, если остаётся
свободный хлор, в воде образуются дополнительные загрязнения вредные
для человека.
Бактерицидное действие хлора обеспечивается только его активной частью,
которая не вступила в соединения с другими веществами. Количество активного хлора, необходимого для обеззараживания единицы объема сточных
вод, как указывалось ранее, называют «дозой» хлора. По требованию Минздрава расчетную дозу активного хлора для дезинфекции судовых сточных
вод следует принимать не менее 25 мг/л.
Фирмы – изготовители судовых установок биологической очистки сточных
вод рекомендуют более высокие дозы хлора. Так, по рекомендации фирмы
«Сален и Викандер» доза хлора должна составлять до 40 г/м3; предприятие
«Варма» (Польша) рекомендует дозу хлора до 80 г/м3. Однако рабочую дозу
хлора следует уточнять в процессе эксплуатации очистных установок. Согласно требованиям Регистра содержание хлора в очищенной воде, удаляемой за борт, не должно превышать 5 мг/л.
На морских судах для обеззараживания сточных вод чаще всего используются: гидрохлориды кальция и натрия, монохлорамин, изредка хлорная известь. Некоторые характеристики их представлены в табл. 8.
Таблица 8
Хлорсодержащие
реагенты
Формула
ГОСТ
Гипохлорит натрия (тип В)
Гипохлорит кальция
Монохлорамин
Хлорная известь
NaOCl
Са(ОС1)2
NH2C1
СаСl2О
11086-96
13392-93
14193-98
1692–98
Концентрация
активного
хлора,
% по массе
Оптовая
цена, руб за
одну тонну
18,5
39 – 50
20 – 25
32 – 36
570
6000
5800
920
Необходимая для обеззараживания стоков доза хлора может изменяться
санитарными властями портов в зависимости от местных условий. Время
102
контакта хлорсодержащих реагентов со сточной водой в емкости для дезинфекции должно быть не менее 30 мин.
ХЛОРНАЯ ИЗВЕСТЬ СаС12О содержит 32–36% активного хлора. Сухое
дозирование хлорной извести из-за содержания в ней труднорастворимых в
хозбытовых стоках веществ не применяется. Приготовление и дозирование
раствора хлорной извести производятся в специальной установке, состоящей
из затворного и растворного баков и дозировочного бачка.
Использование хлорной извести в судовых условиях сдерживается необходимостью специального помещения для ее хранения, значительными трудозатратами в процессе эксплуатации установки.
ГИПОХЛОРИТ КАЛЬЦИЯ Са(ОС1)2 содержит от 39 до 50% активного
хлора. Выпускается в виде белого кристаллического порошка, легко растворимого в воде. Рекомендуется растворять в пропорции 1:4. Хранится в оцинкованных барабанах либо в полиэтиленовых сосудах. За рубежом выпускается
также в виде таблеток (EC1,2, Sanurie 115) и гранул.
ГИПОХЛОРИТ НАТРИЯ NaOCl. Раствор гипохлорита натрия (типа В),
применяющийся для обеззараживания сточных вод, содержит 18,5% активного
хлора. Рекомендуется растворять в пропорции 1:2. Подлежит хранению в герметически закрытых полиэтиленовых сосудах либо в покрытых винипластом
цистернах при температуре не выше 25°С.
МОНОХЛОРАМИН NH2C1 содержит 20–25% активного хлора. Это белый
порошок со слабым запахом хлора. Легко растворяется в воде в пропорции
1:2. Растворы монохлорамина довольно стойки, что позволяет готовить их
впрок до 15 сут, сохраняя в темной посуде. Раствор монохлорамина можно
употреблять сразу после приготовления и полного растворения в воде.
В настоящее время в странах Западной Европы нашел широкое применение
в практике дезинфекции судовых сточных вод раствор двуокиси хлора С1О2
(Ультра-Зоне). Раствор содержит около 50% активного хлора и перед употреблением разводится водой в пропорции 1:4. Стабилизированная двуокись
хлора достаточно устойчива и может храниться в течение года. Бактерицидное
действие С1О2 очень высокое. Установлено, что вдвое меньшая доза двуокиси
хлора при времени контакта со стоками 5 мин обеспечивает такой же дезинфекционный эффект, как и необходимая доза гипохлорита натрия при времени контакта 30 мин. При использовании двуокиси хлора на судах необходимо
соблюдать осторожность, т. к. её пары могут вызвать травмы глаз и кожи.
Количество водного раствора хлорсодержащих препаратов, необходимое
для дезинфекции 1 м3 стоков, можно определить по следующей формуле:
Вр =Д (М+МП)/К,
(63)
3
где Вр – количество водного раствора, г/м ; Д – рабочая доза хлора, г/м3; К –
количество активного хлора в определенной массе М хлорсодержащего препарата, г; МП – количество воды, необходимое для приготовления раствора в
указанной для каждого реагента пропорции П, г.
П р и м е р . Для дезинфекции 1 м3 сточных вод раствором гипохлорита натрия необходимо следующее количество водного раствора:
Bp = 25(100+l00·2)/18,5 = 405 г/м3,
103
где Д = 25 г/м3 (рабочая доза хлора); К= 18,5 г (количество активного хлора в
100 г гипохлорита натрия); П = 2 (гипохлорит натрия растворяется в воде в
пропорции 1:2).
В настоящее время для обработки сточных вод хлором стали применять
электролизеры. Принцип их работы заключается в том, что при пропускании электрического тока через раствор гипохлорита натрия выделяется активный хлор, который можно использовать для дезинфекции очищенных сточных
вод. Этот метод обеззараживания используется в итальянской судовой установке «Seaclor» фирмы «Де Нора». Фирма ограничивает применение установок
для электролиза морской воды минимальной концентрацией NaCl в 24 г/л
при температуре не ниже 13°С. При этом расход энергии составляет порядка 20 кВт·ч/кг активного хлора. Воды Черного, Балтийского и Каспийского
морей имеют более низкую концентрацию NaCl. Поэтому расход энергии на
получение хлора будет выше. В России выпускался серийно электролизер
«Каскад» производительностью 10 кг активного хлора в сутки при расходе
электроэнергии 6,5 кВт·ч/кг. В качестве электродов у него использовались пластины из титана ВТ 1-0. Известны также случаи применения в судовых установках в качестве бактерицидного агента кристаллического йода и марганцовокислого калия.
Высокоэффективным реагентом для обработки сточных вод является
озон. Доза озона для обеззараживания очищенной воды составляет всего
5–7 г/м3 при времени контакта со стоками 10 мин. Однако обработка судовых сточных вод озоном применяется редко из-за его токсичности и сложности
производства в судовых условиях. Известно, что обработка сточной воды
озоном применена в судовой установке «Ozotherm» американской фирмы
«Грумман аэроспейс корпорейшн». Одним из недостатков систем озонирования является повышенное пенообразование в цистерне дезинфекции. Это обстоятельство вынуждает применять специальные пеногасители или устанавливать в цистерне устройство для отвода пены.
Представляет несомненный интерес способ обеззараживания очищенных
сточных вод с помощью у л ь т р а ф и о л е т о в о г о облучения. Установки
для обеззараживания сточных вод этим способом производительностью
до 135 м3/ч, изготавливаемые австралийской фирмой «Mono Pumps Pty,
Ltd.», показали высокую эффективность обеззараживания. Ультрафиолетовая лампа мощностью 100 Вт обеспечивает дезинфекцию 5 м3 сточных вод в
сутки. Лампа может автоматически очищаться от образующихся отложений с
помощью металлических щеток. Установки удобны в эксплуатации и легко
комбинируются в зависимости от расхода сточной воды.
Метод обеззараживания сточных вод ультрафиолетовыми лучами применен в установке «Био Компакт» (Германия).
8.6. Судовые устройства для очистки сточных вод
8.6.1. Установка типа «Хлор-контакт» («HL-Cont.», KG Hamann
Wassertechnik, Hamburg) для обработки сточных вод методом хлорирования
104
хлорсодержащими препаратами. Установки типа «Хлор-контакт» выпускаются производительностью 4, 7, 15, 30 и 45 м3ч. Они предназначены для работы на
морской, пресной или солоноватой сточной воде при крене и дифференте судна
до 30о. Обеспечивают очистку стоков при температуре до 50 оС.
На судах типа т/х «Игорь Ильинский» (ОАО «ДВМП») используются установки типа «Хлор-контакт» производительностью 15 м3/ч (рис. 29). Здесь стоки
Рис. 29. Принципиальная схема установки типа «Хлор-контакт»
от туалетов, ванных и душевых помещений, буфета, столовой, камбуза и прачечной поступают самотёком в сборный танк 1, расположенный в кормовой
части машинного отделения. На наружной стороне танка 1 установлено всё
оборудование очистного комплекса, который включается в работу автоматически при заполнении танка сточной водой после срабатывания поплавкового
датчика верхнего уровня 2. При этом запускаются в работу: центробежный импеллер (насос-измельчитель) 4, винтовой насос 5 и дозерные насосы ёмкостей 7
и 8. Насос 4 измельчает накопившиеся отходы и подает их во всасывающий
патрубок винтового насоса 5. Винтовой насос 5 перемешивает измельчённые
стоки с хлорсодержащим препаратом, поступающим в его всасывающий патрубок из ёмкости 7, и проталкивает их в смеситель 6 снизу вверх по спиральной
направляющей, а затем сверху вниз по внутренней трубе смесителя на выход.
На выходе из смесителя соляная кислота обеззараженных стоков нейтрализуются щелочным раствором тиосульфата натрия, поступающим из тиосульфатной станции (емкость 8). Перед сбросом стоков за борт, т. е. до отливного невозвратно-запорного клапана, они проходят по участку трубопровода длиной 5–
7 м. Эта задержка сброса обеспечивает завершение процесса нейтрализации соляной кислоты и – концентрацию остатков хлора в сбросе не более 2 мг/л., что
определяется при отборе пробы очищенной сточной воды через кран 9.
После осушения цистерны 1 установка автоматически выключается при
срабатывании поплавкового датчика нижнего уровня 2.
105
Клапан 3 предназначен для промывки оборудования чистой водой, поступающей от гидрофора забортной воды.
8.6.2. Установка типа «Пуритек» для очистки сточных вод жидкофазным
окислением. Используется только для термо-химической обработки сточных
вод судовой замкнутой фановой вакуумной рециркуляционной системы.
В санитарно-технических системах судов с установками жидкофазного окисления загрязнений применяются санитарно-гехнические устройства, использующие небольшое количество воды для их промывки. Сточные воды фановой системы, подлежащие обработке, самотёком поступают в сборную цистерну. Это
обеспечивает сглаживание пиковых нагрузок по водоотведению и исключает необходимость регулирования производительности питательного насоса. При накоплении стоков в сборной цистерне автоматически запускается в работу питательный насос, который через предварительный подогреватель, использующий тепло
от уходящих из установки очищенных сточных вод, предварительно нагревает
стоки и подаёт их во второй подогреватель высокого давления, использующий
теплоту выпускных газов СЭУ с ДВС. Далее нагретая сточная вода подаются в
реактор жидкофазного окисления (рис. 30). В этот же реактор подается химический реактив, катализирующий реакцию жидкофазного окисления, и воздух под
высоким давлением.
В процессе обработки сточная вода перетекает из первого во второй и третий
отсеки реактора, в которых при интенсивном перемешивании мешалками 4 осуществляются процессы жидкофазного окисления органических веществ. Далее
очищенная вода фильтруется, охлаждается в подогревателе первой ступени нагрева и направляется на рециркуляцию в сборную цистерну очищенной воды.
Водяной пар, частично компенсирующий приток воды в систему за счет выделений экипажа, сбрасывается в выхлопную трубу СЭУ с ДВС.
Рис. 30. Принципиальная схема реактора жидкофазного окисления
установки типа «Пуритек»: 1, 2, и 3 – отсеки первичного,
вторичного окисления и сбора очищенной воды; 4 – мешалки
Шлам, образующийся в установке, каждые 60 суток должен удаляться из реактора. Для этой цели установка выводится из эксплуатации, и реактор жидкофазного окисления вскрывается для удаления из его отсеков, не окислившихся
веществ.
106
На рис. 31 представлена экспериментальная зависимость снижения ХПК
сточных вод от продолжительности их обработки в реакторе судовой установки
типа «Пуритек».
Рис. 31. Зависимость изменения логарифма ХПК сточных вод
от продолжительности обработки в
реакторе установки типа «Пуритек»
8.6.3. У с т а н о в к а т и п а «Э О С »
отечественного производства основанная
на электрохимическом способе очистки
сточных вод представлена на рис. 32. Установка обрабатывает судовые сточные и
хозяйственно-бытовые воды и относится
к установкам открытого типа. Типоразмерный ряд установок типа «ЭОС» имеет
производительность – 5, 10 и 15 т/сутки.
Рис. 32. принципиальная схема установки типа «ЭОС» для очистки сточных вод:
I – узел отделения и сбора крупно-фракционных загрязнений; II – усреднительная емкость; III –
узел электрохимической очистки и обеззараживания; сточных вод; IV – емкость для сбора очищенной воды; V – блок питания электродов. 1 – перекачивающий насос; 2 – насос откачки очищенной воды; 3 – прибор контроля качества очиcтки воды; 4 – датчики уровней; 5 – электроды
флотаторов; 6 – электроды коагулятора; 7 – привод сетки отделителя; 8 – вентилятор; 9 – центробежная сетка-отделитель крупно-фракционных загрязнений; 10 – измельчитель шлама; 11 – насос откачки шлама.
Сточные воды от санитарно-технических устройств судна через сетку 9
(рис. 32), отделяющую крупно-фракционные загрязнения в блоке I, поступают в
усреднительную ёмкость II. Регенерация сетки 9 отделителя производится под
107
действием центробежных сил при её вращении. Дополнительно предусмотрена
промывка сетки отделителя обратным током забортной воды. Регенерация сетки отделителя производится после прохождения через неё ~ 300 л сточных вод.
Включение сетки во вращение производится от датчиков уровня в усреднительной ёмкости. Из усреднительной ёмкости стоки, очищенные от крупнофракционных загрязнений, перекачивающим насосом подаются в узел электрохимической очистки, где расположены блок растворимых электродов и три
блока инертных электродов. Проходя последовательно через блоки электродов,
на которые подается постоянное напряжение, обеспечивающее номинальный
ток, сточные воды подвергаются электрохимической очистке коагуляцией (от
ВВ и коллоидных загрязнений) за счёт коагулянта (гидроокиси алюминия), образующегося при растворении алюминиевых электродов, и электрофлотацией
укрупнённых загрязнений пузырьками выделяющегося хлора в приграничном
слое на нерастворимых электродах из нержавеющей стали.
Одновременно с процессом электрохимической флотации коагулированных
загрязнений происходит процесс обеззараживания очищенных сточных вод.
Обеззараживание обусловлено совместным действием следующих процессов:
• активным хлором, электролитически выделяющимся на анодах и в результате его растворения с образованием хлорноватистой кислоты, создающей
в растворе появление хорошего окислителя (атомарного кислорода);
• за счет изменения рН в анодном и катодном пространствах блоков электродов под действием постоянного электрического поля.
Очищенные и обеззараженные стоки поступают в сборную ёмкость, откуда насосом откачиваются за борт судна. Загрязнения, удаленные из сточных вод, образуют на поверхности жидкости пену (флотошлам), которая подается в шламовую ёмкость. Из шламовой ёмкости флотошлам вместе с загрязнениями, задержанными на сетке и прошедшими через измельчитель, насосом откачивается в
фекальную цистерну или подается на сжигание в инсинератор.
Установка типа ЭОС-15 используется в настоящее время на сухогрузном суде
ледового плавания, д/э «Василий Головнин» ОАО «ДВМП».
8.6.4. Установка типа «Трайдент» фирмы «Хэмворти» (Англия) является типичной установкой биохимической очистки сточной воды и работает в режиме продлённой аэрации. Принципиальная схема её представлена на рис. 33. Здесь, фекальные стоки поступают самотёком в сборный отсек I через крупноячеистую сетку 5,
на которой крупные фракции задерживаются и затем потоком стекающей воды
измельчаются. Из приемного отсека стоки самотеком поступают в аэрационное
отделение II, заполненное активным илом, куда воздуходувками через воздухораспределитель подается воздух на аэрацию сточных вод. В этом отсеке и происходит процесс биологической очистки воды от органических веществ.
Очищенная вода с мелким активным илом поступает через вертикальную
сетку в отстойное отделение III (крупные компоненты стоков задерживаются),
выполненное в виде конического бункера, наклонные стенки которого способствуют сползанию по ним активного ила вниз, откуда он через боковое отверстие эрлифтом 3 при помощи воздуха подаётся обратно в аэрационный отсек II,
108
а осветлённая вода переливается в отсек IV. Для работы эрлифта используется
воздух от воздуходувок. Для интенсификации процесса отстаивания ила и
уменьшения влияния качки и дифферента судна на работу установки, внутри
бункера установлены наклонные пластины 2.
Рис. 33. Принципиальная схема установки типа «Трайден»":
I – отсек для сбора поступающих стоков; II – аэрационный отсек; III – отсек осаждения
активного ила; IV – отсек сбора и обеззараживания очищенной воды. 1 – дозатор обеззараживающего реагента; 2 – пластины отстойника; 3 – эрлифт; 4 – вентиляционный трубопровод; 5 – сетка для отделения крупнодисперсных примесей; 6, 7, 11 – осушительные
клапаны; 8 – воздухораспределитель; 9 – трубопровод для осушки установки; 10 – воздуходувки для аэрации стоков и работы эрлифта; 12 – откачивающий насос; 13, 14 – датчики нижнего и верхнего уровней
Очищенные и отстоявшиеся от активного ила сточные воды накапливаются в
отсеке IV и обеззараживаются раствором хлорсодержащего препарата, который
предварительно после осушения отсека (при срабатывании нижнего поплавкового
датчика) подаётся в него дозирующим устройством 1. В качестве химического
реагента для обеззараживания воды здесь используется гипохлорит кальция.
После заполнения отсека очищенной и обеззараженной водой срабатывает
датчик верхнего уровня, включая откачивающий насос 12, и содержимое отсека
откачивается за борт судна.
В ёмкость для сбора и обеззараживания очищенных сточных вод также подаются и хозяйственно-бытовые сточные воды, которые не проходят стадию биологической очистки, а лишь подвергаются обеззараживанию. Вентиляция установки
осуществляется при помощи вентиляционной трубы 4, выводящей газы на открытую палубу.
109
8.6.5. Установка биологической очистки типа «Юнекс Био» фирмы «РаумаРепола» (Финляндия) работает по принципу продлённой аэрации. Принципиальная
схема установки показана на рис. 34 и предусматривает следующую технологию
обработки стоков.
Рис. 34. Принципиальная схема УБО типа «Юнекс Био» (Финляндия»)
Фекальные воды поступают самотеком в сборный отсек 2 (рис. 34), разделенный перегородкой на две камеры. Тяжелые включения оседают на дно, а
жидкие составляющие через зубчатый водослив 3 попадают в аэротенк 4.
Воздух подается компрессорами 1 на трубчатые аэраторы 5 аэротенка 4. Очищенные воды поступают в отстойник 7, откуда отстоявшаяся вода направляется в отсек обеззараживания 9, а осевший ил эрлифтом 6 возвращается в аэротенк. Избыточный минерализованный ил периодически удаляется из установки за борт насосом 8 или сжигается инсинераторе. Обеззараживание
очищенной жидкости проводится 10%-ным раствором гипохлорита натрия с
помощью дозатора 10. Качество очищенной сточной воды в УБО составляет:
БПК5 = 36 мг/л; ВВ = 46 мг/л; коли-индекс = 1000 1/л.
В комплект установки входят: два компрессора, устройство для хлорирования очищенной воды, два насоса для удаления очищенной воды. УБО типа
«Юнекс Био» установлены на отечественных судах финской постройки (т/к
«Горноправдинск» и др).
Фирма «Раума-Репола» выпускает установки четырех типоразмеров для
экипажей от 20 до 80 человек.
110
Во всех установках, использующих биохимические методы очистки, процесс
обработки сточных вод осуществляется не менее 15-24 ч.
8.7. Основные принципы эксплуатации установок биохимической
очистки сточной и хозяйственно-бытовой воды
Судовые установки для биохимической очистки судовых сточных и хозяйственно-бытовых вод обычно имеют одну и ту же технологическую схему и отличаются друг от друга конструктивными особенностями устройств возврата активного ила, отделения активного ила от очищаемых сточных вод и распылителями воздуха для аэрации. УБО, как правило, полностью автоматизированы и не
требуют больших затрат труда и средств при их обслуживании. Перед запуском в
работу установка должна быть обязательно заполнена пресной или забортной водой. После включения воздуходувок, подающих воздух на аэрацию и включения
циркуляционных насосов, установка вводится в действие.
Как правило, в течение первых 7-14 суток в установке развиваются бактерии
активного ила и очистка не производится. Однако возможно ускорение ввода
установки в действие за счет внесения в аэрационную ёмкость активного ила,
взятого с береговых очистных сооружений или с УБО другого судна.
После образования активного ила, которое заканчивается через 10–14 суток,
качество очищенных сточных вод достигает нормы. При эксплуатации установок
необходимо регулярно следить за состоянием активного ила путем отбора из
аэрационного отсека смеси сточных вод с активным илом. В отобранной пробе
активный ил должен быстро оседать, иметь коричневатый цвет, а от сточных вод
не должен исходить гнилостный запах. Кроме того, следует контролировать наличие обеззараживающих веществ в расходной ёмкости, из которой они подаются
в определенном количестве в ёмкость для очищенной воды. При повышении концентрации активного ила (обычно до 500–700 мл/л) необходимо периодически
удалять часть активного ила из установки.
При использовании санитарно-технических устройств судна в комплекте с УБО
запрещается бросать в них биологически неразлагаемые вещества. Это – плотную
бумагу, спички, окурки, металлические предметы и т. п. Кроме того, при работе
установки запрещается мыть помещения туалетов, душевых и санитарнотехнические устройства, используя химические детергенты, стиральные порошки,
отбеливающие и дезинфицирующие вещества, т. к. при попадании их в УБО приводит к угнетению и гибели бактерий активного ила.
Установки биохимической очистки должны быть включены в работу постоянно независимо от местонахождения судна, и поток сточных вод должен непрерывно подаваться на установку. При уменьшении или прекращении подачи сточных вод на установку начинается голодание активного ила и через 20–30 часов он
погибает.
При эксплуатации установок биологической очистки нельзя прекращать более
чем на 12–20 часов аэрацию очищаемых сточных вод. В случае прекращения аэрации начинается кислородное голодание активного ила и последующее его загнивание. Поэтому любое нарушение режимов работы биохимической очистки вызы111
вает прекращение процесса биохимической очистки сточных вод. При гибели активного ила запуск установки возможен только после его откачки и образования
нового активного ила. Это происходит таким же образом и в те же сроки, что и
при запуске установки.
В процессе эксплуатации установок на судах неоднократно отмечалось, что
при относительно несложной работе механической части установок биохимической очистки часто происходят необратимые изменения состава активного ила,
что вызывает прекращение очистки стоков. Однако при строгом соблюдении
правил технической эксплуатации установок биологической очистки стоки очищаются до норм, регламентированных международными и национальными правилами.
9. Технологии обработки судовых сточных нефтесодержащих вод
Очистка нефтесодержащих вод на морском транспорте относится к числу
наиболее актуальных задач, решение которой непосредственно связано с надежностью технической эксплуатации судового теплоэнергетического оборудования, а также с охраной окружающей среды от загрязнений сточными нефтесодержащими водами, особенно в прибрежных районах при судоходстве и
деятельности береговых предприятий.
Присутствие нефтепродуктов, например, в питательной воде главных судовых паровых котлов недопустимо. Для вспомогательных котлоагрегатов нефтесодержание питательной воды весьма ограничено (не более 0,3–0,5 мг/л), т. к.
приводит к образованию на теплопередающих поверхностях нагрева углеводородных отложений, обладающих высоким термическим сопротивлением, вызывающих уменьшение теплообмена, повышение расхода топлива при производстве пара, а также – перегрев и разрушение поверхности нагрева.
Хотя общее количество сбрасываемых с судов нефтесодержащих вод (сточных вод, имеющих в своем составе нефтеостатки) по абсолютному значению в
сравнении с аварийными разливами танкеров невелико, их влияние на экологическое состояние морской среды весьма существенно, особенно при увеличении числа судов, их тоннажа и интенсивности судоходства в прибрежных районах плавания.
В результате постоянной деятельности Международной морской организации (ИМО) и её Комитета по защите морской среды, Marine Environment Protection Committee (МЕРС), на морских объектах (стационарных нефтедобывающих
платформах, транспортных и рыбодобывающих судах) для предотвращения загрязнения моря, т. е. очистки судовых льяльных вод, применяется фильтрующее оборудование (ФО по ПЗМ). Под термином «фильтрующее оборудование»
(ФО) с 1998 года, подразумевается использование различных комбинаций сепараторов и фильтров, обеспечивающих очистку воды от нефтепродуктов до значений не превышающих 15 млн-1 (ррm). Причём очистка от нефтепродуктов
подразумевается именно льяльной воды, а не другой, например, из шламовых
цистерн топливных или масляных центробежных сепараторов, т. е. воды, накапливающейся в льялах машинных отделений. В этой связи производительность
112
ФО по требованиям Регистра не должна превышать 50 м3/ч, а нефтеостатки от
других объектов СЭУ должны сдаваться в базовых портах на суда сборщики
нефтесодержащих вод для последующей очистки стоков на береговых очистных сооружениях.
Техническое состояние ФО, которое используется на морских судах, должно
соответствовать требованиям МАРПОЛа, оговоренным в соответствующих резолюциях ИМО: А 393(Х), МЕРС (60)33 или МЕРС 107(49).
При создании нового ФО по ПЗМ или при замене существующего (вышедшего из строя) на новое оборудование, с 2005 года действуют требования ИМО,
изложенные в резолюции МЕРС 107(49).
На морском транспорте для очистки СНВ получили распространение нефтеводные сепарационные установки отстойно-коалесцентного типа, принцип действия которых основан на использовании явления слияния и укрупнения (коалесценции) капельных нефтепродуктов с последующим разделением нефтеводной смеси гравитацией в объёме очищаемой воды. Однако это простое и достаточно эффективное оборудование оказалось практически непригодным, когда
на морских судах стали использовать тяжелые сорта жидкого топлива с относительной плотностью 0,95–0,98 г/см3. Нефтеводная смесь, содержащая такие углеводороды в эмульгированном состоянии, не разделяется гравитацией даже
при нагреве. Поэтому дочистить воду после коалесцентной обработки можно
лишь фильтрованием её через нефтеёмкий пористый материал.
Ресурс любого фильтрующего материала ограничен во времени (50–100 ч)
из-за явления кольматации (заиливания) его пористой структуры асфальтенами
и парафинами жидкого топлива, а также его ограниченной нефтеёмкости. С
другой стороны, если материал пригоден для очистки воды, содержащей легкое
топливо, то он не пригоден для разделения смесей, содержащих тяжелые нефтепродукты, и наоборот. Поэтому существующие конструкции коалесцентных
фильтроэлементов (деэмульгаторов) являются разового использования и неизбежно подлежат замене при эксплуатации. Отсюда эффективность очистки
льяльных вод зависит в большей степени от человеческого фактора, вызванного
экономией финансовых средств на закупку запасных фильтроэлементов и трудовых ресурсов на выполнение ремонтных работ.
Анализ современных конструкций судовых технических средств очистки
нефтесодержащих вод свидетельствует о том, что в большинстве своем выбор
технологии очистки льяльных вод и приемов её реализации являются не всегда
обоснованными, а, следовательно, и неэффективными. Причиной этому является отсутствие достаточных знаний о структуре и свойствах воды, как жидкости,
и капельных нефтепродуктов в ней.
9.1. Структура и свойства судовых нефтесодержащих вод
На водном транспорте различают нефтесодержащие трюмно-балластные воды и воды машинных отделений, которые на морских судах называют льяльными, а на речных – подсланевыми.
Трюмно-балластные нефтесодержащие воды появляются, когда для обеспе113
чения необходимой остойчивости судна (метацентрической высоты) грузовые
помещения (трюмы) танкера или топливные танки двойного дна судна любого
типа после использования топлива замещаются (заполняются) забортной водой.
Особенностью трюмно-балластных вод является сравнительно четкое расслоение в них нефтепродуктов и то, что количество их на судне значительно
больше, чем льяльных вод. Технических средств для очистки больших объемов
трюмно-балластных вод на судах нет. Поэтому такие воды должны сдаваться на
береговые очистные сооружения по прибытию судна в порт назначения, перед
погрузкой судна или перед бункеровкой (загрузкой топливом).
В соответствии с требованиями МАРПОЛа на морских судах устанавливается только оборудование, предназначенное для очистки льяльных вод.
В зависимости от размеров судна и его возраста ежесуточно в льялах машинного отделения (МО) в результате конденсации влаги на обшивке корпуса
судна или при протечках через сальниковые уплотнения, например в дейдвудном устройстве, может накапливаться пресная и забортная вода. Количество
нефтепродуктов, содержащихся в льяльной воде, колеблется в широких пределах и зависит от типа СЭУ, его возраста и технического состояния. В среднем
нефтесодержание льяльной воды составляет не менее 2000 млн-1 для судов с
ДВС и 1500 млн-1 – для паротурбинных судов.
Средняя плотность топлива и смазочного масла, содержащихся в льялах МО
судов, оценивается в пределах 0,84÷0,98 г/см3. Среднее содержание механических примесей в льяльных водах 0,006%. Водородный показатель льяльных вод
рН = 5,9÷8,5. Степень дисперсности капельных нефтепродуктов в льяльных водах и их концентрация – весьма различна (зависит от степени загрязнения, типа
и характеристик перекачивающего насоса).
Считается, что нефтесодержащая вода не содержит капель нефтепродуктов
диаметром более 250 мкм, т. к. начиная с диаметра 200 мкм и более, капли его
сравнительно быстро всплывают, образуя на поверхности воды пленку.
Если нефтепродукт находится в воде в виде шарообразной частицы, имеющей объем Vн и плотность ρн , то на частицу при естественных условиях действует сила тяжести Pм , равная массе частицы ρн · Vн , и подъемная сила Pп , равная (согласно закону Архимеда) массе вытесненной воды ρ в ·Vн , имеющей
плотность ρв .
Если плотность нефтепродукта ρн меньше плотности воды ρ в и размеры
частицы достаточно велики, то под действием разности сил Pп − Pм частица
всплывает.
Если ρ н = ρ в , то Pп = Р м и частица будет находиться в объеме воды во
взвешенном состоянии, перемещаясь под действием и в направлении конвективных токов и броуновского движения.
Если ρ н ⟩ ρв и частица нефтепродукта имеет достаточно большой размер,
то Pп ⟩Р м и поэтому в объеме воды она будет осаждаться. На этом основано гравитационное разделение нефтеводных смесей.
Всплытию в воде частицы нефтепродукта шарообразной формы попереч114
ным сечением S н со скоростью wн препятствует сила сопротивления внутреннего трения водной системы R , направленная в сторону, противоположную
направлению её движения. По закону Ньютона для случая, когда ρн ⟨ ρв , всплытию частицы нефтепродукта препятствует сопротивление воды, которое можно
определить по формуле
R =ξ
S н ρ в wн2
,
2g
(64)
где ξ – безразмерный коэффициент сопротивления частицы; g – ускорение силы тяжести.
Попадая в объем воды, частица капельного нефтепродукта, если она легче
воды, в начальный период времени движется вверх ускоренно, поскольку
( Pп − Р м )⟩R . Однако при постоянных значениях Pп и Р м очень скоро наступает момент достижения равенства движущей силы и сопротивления
( Pп − Р м ) = R , поэтому скорость всплытия wн становится постоянной и частица начинает всплывать равномерно.
Подставив развернутые значения сил в уравнение установившегося движения частицы, получим
ρ вVн − ρ нVн = ξρ в
шарообразной частицы нефтепродукта
S н wн2
, отсюда скорость всплытия для
2g
4 (ρ − ρ н ) d н g
,
(65)
wн =
3
ρв
ξ
в
где dн – диаметр частицы нефтепродукта.
Установлено, что режим движения дискретной частицы в воде характеризуется численным значением критерия Рейнольдса в виде
Re =
wн d н ρ в
μв
. (66)
Тогда скорость всплытия частицы нефтепродукта wн = ζ ф Re· μв / dн ρ н , (67)
где ζ ф =1 – коэффициент формы частицы нефтепродукта; μ B – коэффициент динамической вязкости воды.
Каждому режиму всплытия капли соответствуют свои значения Re и коэффициента сопротивления ξ.
Ламинарный режим имеет место при Re ≤ 0,2; турбулентный при Re > 500
и переходный при 0,2 < Re < 500.
Известно, что для шарообразных частиц критические значения коэффициента сопротивления ξ составляют: в турбулентном режиме 0,44; в ламинарном –
24/ Re и в переходном – 18,5/ Re 0,6 .
В нефтесодержащей воде сохраняется в устойчивом состоянии около 50%
капель нефтепродукта диаметром от 10 до 30 мкм, остальное – это капли от 30
до 200 мкм. Кроме капельных содержатся также и растворенные нефтепродукты, концентрация которых колеблется в пределах 5÷10 млн-1, причем нижний
предел соответствует морской воде, а верхний – пресной.
Отличительной особенностью льяльной воды морского судна является незначительное содержание взвешенных и отсутствие органических веществ, а
также наличие в ней кроме нефтепродуктов некоторого количества эмульгато115
ров в виде поверхностно-активных веществ (ПАВ типа ОП-2), создающих условия для образования стойких нефтеводных эмульсий. Поэтому, если не происходит энергичного перемешивания (например, из-за качки судна в шторм),
накопление нефтеводной смеси в льялах МО обеспечивает расслоение её на три
слоя: верхний, средний и нижний.
Верхний слой, в котором содержится основная масса обводнённых нефтепродуктов, представляет собой «обратную» (водонефтяную) смесь, где вода
диспергирована в нефти и обводнённость нефтепродукта может достигать 80 %.
Средний слой составляет так называемая стабилизированная часть с концентрацией нефтепродуктов от 500 до 3000 млн-1, представляющая собой нефтеводную смесь («прямую» эмульсию) типа «масло в воде», а также растворенные в воде нефтепродукты.
Нижний слой состоит практически из воды, содержащей растворённые и капельные тяжелые нефтепродукты.
Можно выделить две основные характеристики нефтесодержащей воды, которые могут быть использованы при рассмотрении технологии процесса очистки её. Это – дисперсность нефтепродуктов в воде и их концентрация.
Дисперсность. Нефтесодержащие смеси, подлежащие очистке на судне,
представляют собой системы, в которых раздробленные на мелкие шарообразные частицы нефтепродукты находятся в воде во взвешенном состоянии. Основным фактором, характеризующим свойства эмульсий, является их дисперсность. Нефтесодержащие воды, являющиеся прямыми эмульсиями, полидисперсные и содержат частицы различных размеров. При этом нефтепродукты,
как указывалось ранее, могут находиться в сточной воде в эмульгированном,
коллоидном или растворенном состоянии.
Если нефтепродукт в воде находятся в эмульгированном состоянии, т. е. их
частицы имеют размер 10÷20 мкм, они плохо отстаиваются даже при нагревании смеси. Степень дисперсности нефтепродукта в воде, поступающей на очистку в ФО, различна и зависит от многих факторов, основными из которых являются: тип, техническое состояние и режим работы насосного агрегата, а также вязкость нефтепродукта и концентрация в очищаемой воде каких-либо детергентов и ПАВ. Присутствие в льяльной воде ПАВ препятствует естественному процессу налипания и укрупнения (коалесценции) капельных нефтепродуктов в воде из-за уменьшения межфазного поверхностного натяжения в результате адсорбции ПАВ на границе раздела фаз «нефть – вода».
Стабилизаторами эмульсии в нефтесодержащей воде могут быть и механические примеси. В этом случае капельки нефтепродукта обволакиваются механическими примесями, что препятствует их коалесценции и всплытию. Содержащиеся в морской воде ионы различных металлов и солей также могут способствовать образованию эмульсии.
Удалять из воды эмульгированные нефтепродукты гораздо сложнее, чем
грубодисперсные, поэтому по возможности при очистке льяльной воды следует
исключать факторы, способствующие образованию нефтеводных эмульсий. С
этой целью рекомендуется способ вакуумного приема очищаемой воды в ФО
или самотеком. Если вакуумный прием или слив нефтесодержащей воды само116
теком невозможен, следует применять тихоходные насосы объемного типа, такие как винтовые или поршневые.
Концентрация в воде диспергированных нефтепродуктов может быть различной. В процессе перекачивания воды из льяльных колодцев МО в сборные
цистерны ещё до поступления её в очистное оборудование происходит измельчение капельных нефтепродуктов. Это имеет место в рабочих полостях насосов
и при трении капель о стенки трубопроводов, в сужениях и поворотах, а также
при дросселировании среды через возможные щели между седлом и тарелкой
недостаточно открытых клапанов. Зачастую для перекачивания льяльной воды
используются центробежные осушительные (пожарные) насосы большой производительности, которые значительно увеличивают концентрацию дисперсной
фазы и создают в сборной цистерне устойчивую эмульсию.
В настоящее время нет методики раздельного определения концентрации
эмульгированных и растворённых в воде нефтепродуктов. Поэтому вопрос о
возможных концентрациях тех или других в льяльных водах остаётся не решённым. Только экспериментальное определение эффективности разделения
нефтеводных смесей при выборе технологии очистки натурных нефтеводных
смесей позволяет ответить на этот вопрос.
Академик П. А. Ребиндер развил представление о механизме эмульгирования как о процессе деформации больших капель эмульсии в цилиндры неустойчивых размеров, которые самопроизвольно распадаются, когда их длина
превышает периметр. Такой распад сопровождается уменьшением поверхностной энергии и заканчивается распадом большой капли на капельки неравных
размеров, т. к. равнообъёмность их энергетически менее выгодна. Это приводит
к появлению более мелких капель (сателлитов), что мы всегда наблюдаем в
объёме воды при отрыве плёнки нефтепродуктов от поверхности любого
фильтроэлемента (рис. 35).
Такой простой механизм диспергирования из-за деформации
исходных капель при
их продавливании через поры фильтра наблюдается также в
опытах Л. Я. Кремнева
при
продавливании
высококонцентрированных эмульсий через капилляры под
влиянием
перепада
давления.
Рис. 35. Формирование капель в очищенной воде при отрыве
плёнки мазута от фильтроэлемента
117
Нами установлено, что продавливание эмульгированных капель мазута через капилляры термофицированного полипропилена в сепараторах типа СКМ,
даже с небольшой скоростью, неизменно вызывает их вторичное эмульгирование. Это значительно ухудшает работу очистного оборудования, т. к. эмульгированные частицы нефтепродуктов в объёме воды не коалесцируют (не сливаются и не укрупняются) между собой даже при нагреве среды, как считалось
ранее.
В настоящее время установлено, что они окружены плёнкой воды (рис. 36),
которая чем тоньше, тем прочнее, и препятствует их слиянию в дисперсионной
среде.
Есть предположение, что эти
структуры (рис. 36) соответствуют автоклатратной модели Полинга, согласно которой молекулы воды образуют пентагональный додекаэдр (каркас), в объеме
которого находится гидрофобная
частица нефтепродукта. При
этом химическая связь между
молекулами воды и частицы не
возникает.
Основным фактором, влияющим на скорость всплытия диспергированных в воде нефтепроРис. 36. Образование кластера воды вокруг частицы нефтепродукта: 1 – частица нефтепродукта; дуктов, является их крупность.
Чем крупнее частицы дисперсной
2 – молекулы воды; 3 – водородные связи
фазы, тем скорее они всплывают;
смесь расслаивается на составляющие её фазы – воду и нефтепродукты (рис.
37).
Рис. 37. Зависимость
скорости всплытия в воде
частиц нефти от их диаметра
и температуры
Поэтому для повышения эффективности очистного оборудования предусматривают различные коалесцентные устройства (деэмульгаторы) на основе
118
материалов, обладающих гидрофобно-олеафильными свойствами, для укрупнения эмульгированных частиц нефтепродуктов.
Можно сформулировать два основных принципа эффективной работы коалесцентных деэмульгаторов, которые должны быть учтены при рассмотрении и
организации технологии любого процесса очистки нефтеводной смеси:
• Фильтрация очищаемой воды через вышеуказанные материалы должна
быть без вторичного эмульгирования капельных нефтепродуктов, т. е.
без деформации капель, вызывающей их самопроизвольный распад, при
их растяжении или сжатии (при этом перепад давления на деэмульгирующем устройстве зависит от вязкости капельных нефтепродуктов);
• дренаж образующейся плёнки нефтепродуктов с коалесцентной поверхности должен быть также безотрывным.
Всё это позволит исключить из очищенной воды наличие в ней вторичных мелкодисперсных капельных нефтепродуктов (сателлитов).
9.2. Устройство и принцип действия судового оборудования
для очистки льяльных вод
Многие суда постройки 70-х годов были оборудованы нефтеводными сепараторами гравитационного (отстойного) типа. Это отечественные установки
типа СТВ-5, СТВ-10 и импортные установки фирмы «Турбуло», принцип действия которых был описан выше. Опыт эксплуатации этих сепараторов показал,
что глубина очистки льяльной воды в них от нефтепродуктов не превышает
150÷200 млн-1.
Исследования Ю. М. Брусельницкого показали, что если нефтепродукт в
воде находится в эмульгированном виде, то только в сочетании с флотацией
или фильтрацией процесс гравитационного разделения мог быть эффективным.
Поэтому на морских судах в 80-х годах стали применять нефтеводные сепараторы флотационно-гравитационного типа, такие как СТВ-5Ф и СТВ-10Ф.
9.2.1. Метод очистки нефтесодержащей воды флотацией
Метод очистки нефтесодержащей воды флотацией заключается: в насыщении объема очищаемой воды пузырьками воздуха, которые при всплытии прилипают к частицам нефтепродуктов и выносят их на поверхность раздела «вода
– воздух» в виде нефтевоздушной пены, называемой флотошламом (рис. 38).
Эффективность процесса флотации по сравнению с гравитационным разделением обусловлена тем, что скорость всплытия в воде нефтевоздушного пузырька в 900 раз выше, чем скорость всплытия капли нефтепродукта того же
диаметра. Поэтому она зависит от вероятности столкновений частиц нефтепродукта с пузырьками воздуха и прочности прилипания флотируемых частиц к
пузырькам воздуха при столкновениях.
Выделившиеся пузырьки газа на капле нефти (рис. 38) могут иметь различные расположения и размер, которые зависят от снижения давления, количества растворенного газа в воде и степени перемешивания эмульсии. При сниже119
нии давления расширившиеся пузырьки газа 3, налипшие на капле нефтепродукта, начинают сближаться друг с другом и объединяться, постепенно увеличивая суммарный объем воздуха на капле нефти.
Оценить скорость подъема U агрегата (частица нефти – пузырек воздуха) с
ограниченной площадью контакта (зона II) трудно. Однако для грубой оценки
скорости подъема агрегата с полной площадью контакта (как в зоне IV) можно
использовать формулы Стокса и Адамара-Рыбчинского, отличающиеся только
коэффициентами.
Плотность ρ а и радиус агрегата rа вычисляют соответственно по формулам
ρa =
ρ’н rн3 + ρ в rв3
r +r
3
н
3
в
;
(
ra = rн3 + rв3
)
1
3
,
где ρ н и ρв плотность соответственно нефти и воздуха.
Тогда формула Стокса для агрегата принимает вид
2 q[(ρ − ρ н )rн3 + (ρ − ρ в )rв3 ]
U=
,
(68)
1/ 3
μ (rн3 + rв3 )
где q – вес частицы нефти, прилипшей к пузырьку воздуха в воде; μ – коэффициент динамической вязкости воды; ρ – плотность воды; rн и r в – радиусы соответственно частицы и пузырька воздуха.
Прилипание частиц нефтепродукта малого размера к пузырькам воздуха малого размера более вероятно, чем к пузырькам большого размера. В условиях
пониженной гидрофобности более вероятным будет прилипание к частице нефтепродукта мелких пузырьков воздуха 3 (рис. 38).
Рис. 38. Схема подъема частицы нефти в воде воздухом при флотации: I – зона выделения пузырьков воздуха на капле нефти; II – зона слипания газовых пузырьков
на капле нефти; III – зона вырождения капли нефти в
пленку на газовом пузырьке; IV – зона внедрения газового пузырька в слой пены;
1 – водная среда; 2 – капля нефти; 3 – пузырьки воздуха; 4 – пленка нефтепродукта вокруг пузырька воздуха
(нефтегазовый пузырек); 5 – пузырь воздуха в слое
нефтевоздушной пены; 6 – пена (флотошлам)
Эти пузырьки затем, благодаря коалесценции
объединяются, образуюя пузырь большего
размера, на поверхности которого затем
формируется пленка нефтепродукта 4, т. е.
образуется нефтегазовый пузырь, всплывающий
вверх в слой флотошлама.
Процесс прилипания флотируемой частицы к пузырьку воздуха протекает
на границе трех фаз: флотируемая частица – воздух; флотируемая частица – вода; вода – воздух. Весь процесс может происходить в три стадии: сближение
флотируемой частицы с пузырьком воздуха, контакт и прилипание. Создание
120
во всем объеме очищаемой жидкости воздушной эмульсии – необходимое условие для эффективной флотации.
Вероятность столкновения пузырьков воздуха с эмульгированными частицами нефтепродукта обусловливается общей поверхностью воздушных пузырьков. Чем меньше размеры пузырьков, тем больше их поверхность при одном и том же объеме подаваемого на флотацию воздуха. Однако существуют
оптимальные размеры пузырьков воздуха, при которых процесс флотации протекает эффективно. Известно, что пузырьки воздуха диаметром менее 60 мкм
применять для флотационной очистки неэффективно, т. к. скорости всплытия
агрегатов на их основе и самих частиц нефти аналогичного размера примерно
одинаковы.
Известно также, что при увеличении подачи воздуха размеры пузырьков
растут и они быстрее всплывают вверх, не успевая прилипать к частицам нефтепродукта. Увеличение солесодержания воды до 15 мг/л приводит к снижению
размеров пузырьков в 24 раза.
Поскольку при напорной вакуумной флотации удаётся получить самые мелкие пузырьки воздуха, она нашла широкое применение в практике очистки
нефтесодержащих сточных вод с очень мелкими частицами загрязнений. При
этом количество воздуха, выделившегося из пересыщенного раствора, для обеспечения необходимого эффекта флотации должно составлять 1÷5 % объёма обрабатываемой сточной воды.
Представляет также интерес для очистки воды от нефтеостатков СЭУ метод
напорной микрофлотации с использованием гидродинамического сатуратора
для получения водовоздушной смеси из 20-и % забортной воды с последующим
смешением её с очищаемой нефтесодержащей водой перед поступлением в атмосферный флотатор. При этом количество воздуха, которое необходимо растворять в одном литре воды составляет примерно шесть литров. Установлено,
что использование такого технологического процесса в стационарных условиях
позволяет повысить производительность очистного оборудования до 1000 м3/ч.
Поэтому он может найти широкое применение на морском флоте для очистки
больших объёмов балластных нефтесодержащих вод.
Недостатком судовых флотационных нефтеводных сепараторов было наличие в их конструкциях движущихся частей, для удаления флотошлама, и других
металлических деталей, подверженных действию коррозии при контакте с морской водой. Поэтому на смену флотационным сепараторам на морских судах
появилось очистное оборудование отстойно-коалесцентного типа.
9.2.2. Метод разделения нефтеводных смесей коалесценцией
Способность капель нефтепродуктов в воде при определённых условиях
сливаться и укрупняться (коалесцировать) достаточно широко используется в
технике очистки сточных нефтесодержащих вод.
При разделении нефтеводных смесей различают межкапельную коалесценцию нефтепродуктов в объеме воды и коалесценцию капель нефтепродуктов на
поверхности олеофильного материала в коалесцентном устройстве (аппарате).
121
В качестве коалесцентных материалов при создании современных технических средств очистки льяльных вод получили распространение вещества, поверхность которых обладает гидрофобно-олеофильными свойствами.
Элементарный акт взаимодействия капли нефтепродукта и поверхности
коалесцентного материала можно представить в виде следующих стадий:
• приближение капли к поверхности раздела фаз, приводящее к деформации, как самой капли, так и границы раздела дисперсионной среды между каплей и поверхностью материала;
• утончение и разрыв пленки дисперсионной среды (воды) и перенос содержимого капли (нефтепродукта) на поверхность олеофильного материала с
образованием на ней пленки; в дальнейшем коалесценция других капель нефтепродуктов из движущегося потока смеси происходит уже на поверхности образовавшейся пленки, в результате чего её толщина увеличивается;
• со временем плёнка начинает перетекать вдоль коалесцентной поверхности (происходит дренаж плёнки) в направлении действующего на неё потока, а
очищенная таким образом вода выходит из коалесцентного устройства.
Для протекания коалесценции капель нефтепродуктов на поверхности коалесцентного материала необходимо подавить турбулентность внутри жидкости
настолько, чтобы капли могли мигрировать к границе раздела двух жидких фаз
и образовывать в этой области гетерогенную зону. Скорость миграции или флокуляции (стекания, группирования) капель определяется такими свойствами,
как разность плотностей между фазами, вязкостью сплошной фазы и размером
капель. Коалесценция капель внутри указанной зоны завершает процесс разделения фаз. Этот процесс весьма сложен, поэтому первые детальные работы относились к изучению простейшего случая коалесценции единичных капель на
плоской поверхности раздела двух жидких фаз. Они были выполнены с целью
лучшего понимания физических процессов и установления факторов, определяющих элементарные стадии процесса коалесценции.
В водных растворах, чем является льяльная вода, флокуляция и коалесценция происходят с трудом, особенно если капли очень малы (менее 10 мкм). Наши наблюдения показывают, что при температурах среды менее 10 оС такие капли, например мазута марки М40 в зернистом слое из гранул естественного
полипропилена не коалесцируют. В этих случаях разделение фаз легче осуществить пропусканием дисперсий через слои волокнистых или вдоль плёночных
материалов. Капли увеличиваются внутри этих слоев за счет коалесценции, и
полученная дисперсия затем легко разделяется отстаиванием. На этом принципе собственно и построены все современные установки для очистки судовых
нефтесодержащих вод.
Несомненным достоинством этого метода является его непрерывность, т. к.
расход нефтепродукта на выходе из коалесцентного устройства соответствует
его значению на входе. Только вместо видимых капель нефти, поступающих в
деэмульгатор, из него выходит плёнка нефтепродукта, которая, отрываясь от
поверхности удерживающего устройства, формируется в виде крупных конгломератов или капель, быстро всплывающих в объёме очищенной воды. Мелкие
капли нефтепродуктов, если их размер не соизмерим с размерами проточных
122
каналов коалесцентного устройства, на выходе из него не всплывают, заполняют объём снизу вверх.
Регенерация материала в процессе эксплуатации необходима только в чисто
профилактических целях. При разделении эмульсий с минимальным содержанием механических примесей и высоковязких нефтепродуктов межрегенерационный период может составлять несколько лет.
Конструктивно метод коалесценции отличается от фильтрации тем, что после завершения процесса формирования крупных капель требуются условия
для гравитационного отделения их от воды (отстойник), в то время как после
фильтрации через задерживающий материал вода становится чистой.
В связи с тем, что в результате коалесценции образуются капли нефтепродуктов значительных размеров (5÷10 мм) и их выделение из потока воды не
представляет трудностей, отстойник здесь является дополнительным и необходимым вспомогательным элементом фильтрующего оборудования. Перед отстойником коалесцентной ступени очистки устанавливают специальные устройства, при омывании которых в очищаемой среде создаются условия для
коалесценции капель нефтепродуктов. Устанавливаются пакеты плоскопараллельных или гофрированных пластин, лабиринты, а также фильтры на основе
коалесцентных материалов (тканых, нетканых, волокнистых или зернистых),
которые называют коалесцентными или коалесцёрами.
В качестве загрузки коалесцентных фильтроэлементов могут быть использованы полимерные материалы, такие как: зернистые полиэтилен и полипропилен, листовой эластичный пенополиуретан (поролон), а также волокнистые.
Метод коалесценции позволяет достичь весьма высокой степени очистки
воды от нефтепродуктов при соответствующем подборе коалесцентного материала и скорости фильтрации нефтеводной смеси.
9.2.3. Очистка нефтесодержащей воды под действием центробежной силы
Если разделяемую жидкость ввести в поле действия центробежной силы, то
на диспергированные в жидкости частицы будет действовать центробежная
сила, направленная (в зависимости от знака разности удельных весов дисперсной фазы и дисперсионной среды) к периферии или к центру потока.
Создание поля центробежных сил может быть осуществлено двумя способами:
• введением с большой скоростью жидкости в неподвижный аппарат,
конструкция которого и создаваемый скоростной напор обеспечивают
вращательное движение потока жидкости;
• помещением жидкости во вращающийся аппарат, в котором жидкость
будет вращаться вместе с аппаратом.
В первом случае происходит циклонный процесс, а во втором – отстойное
центрифугирование.
На вращающуюся в потоке взвешенную частицу действует центробежная
сила
РЦ = m ωr 2 /rц,
(69)
123
где m – масса частицы; ωr – окружная скорость частицы; rц – радиус вращения
частицы.
При нахождении частицы в гравитационном поле на неё действует сила тяжести
РТ = mg,
(70)
где g – ускорение силы тяжести.
Сопоставляя выражения (69) и (70), получаем выражение показывающее, во
сколько раз центробежная сила больше силы тяжести, т. е.
РЦ /РТ = ωr 2 /g rц
(71)
2
Отношение ускорения центробежной силы ( ωr / rц) к ускорению силы тяжести g является центробежным критерием Фруда (Frц), который ещё называют
фактором разделения (Фр), т. е.
Фр = ωr 2 /grц .
(72)
Заменяя в выражении (68) окружную скорость ωr угловой скоростью ω rц
или числом оборотов в минуту, получаем при ωr = ω rц Фр= ω 2 rц/g ; (73)
при ωr = 2 π rцn/60
Фр = π 2 n2rц / 900g.
(74)
Определение скорости движения частицы под действием центробежной силы аналогично нахождению скорости осаждения её под действием силы тяжести. Поэтому в уравнение установившегося движения подставляют выражение
центробежной силы. В конечном счёте действующая сила при центробежном
осаждении будет больше движущей силы простого отстаивания в Фр раз и общее выражение для скорости центробежного осаждения шарообразной частицы
4 ρ в − ρн dн g
w
Ф р . (75)
=
нефти выразится аналогично уравнению (65): н
ρв
ξ
3
Поскольку фактор разделения Фр является величиной переменной и обусловлен переменностью радиуса вращения частицы, скорость осаждения под
действием центробежной силы, в отличие от скорости осаждения под действием силы тяжести, является также величиной переменной.
Границы режимов движения определяются численными значениями критерия Рейнольдса: для ламинарного режима Re ≤ 0,2; переходного – 0,2<Re<500 и
турбулентного – Re>500.
Коэффициент сопротивления частицы ξ может быть выражен как
ξ = 4/3 · Аr/Re2,
(76)
где Ar – критерий Архимеда, который выражается известными величинами,
характеризующими нефтеводную смесь.
Аr= ( ρ в - ρ н )/ μ 2 ·dн3 ρ в
Критериальное уравнение для центробежного осаждения будет иметь вид
ξ Re2 = 4/3·Аr·Фр, откуда Аr·Фр = 3/4 · ξ ·Re2.
(77)
Подставив критические значения критерия Рейнольдса и коэффициента сопротивления ξ , находим: для ламинарного режима Аr·Фр ≤ 6,3; для переменного – 3,6 ≤ АrФр ≤ 84000 и для турбулентного – АрФр > 84000.
Скорость осаждения (всплытия) под действием центробежной силы выразится как
wо= ζ ф Re μ В /dн ρ В .
(78)
(
)
124
Учитывая то, что частицы нефтепродуктов в воде формируются в виде шарообразных капель ( ζ ф =1), пользуясь приведенными выше выражениями, производят расчёт скорости разделения нефтеводной смеси в центробежном поле в
зависимости от диаметра частиц дисперсной фазы, их плотности и режима
движения.
Для разделения двухфазных жидкостей в центробежном поле используют
два типа центробежных аппараторов:
• приводные (центрифуги), у которых вращательное движение жидкости
передается от вращающихся элементов конструкции, например ротора, связанного с приводом;
• неподвижные (гидроциклоны), у которых вращение жидкости возникает в
результате тангенциального входа потока в рабочий объем аппарата (по касательной к окружности).
На рис. 39 представлена компоновочная схема центрифуги типа УСА (установка судовая автоматизированная центробежно-коалесцентного типа).
Рис. 39. Принципиальная схема центрифуги
типа УСА: 1−ротор, заполненный зернистым
полипропиленом;2−отливнойпатрубок нефтепродуктов; 3 − нижняя полость ротора; 4 − сливная
камера очищенной воды; 5 − электродвигатель; 6
− клиноременная передача
Установки типа УСА изготавливались
заводом «Океан» (г. Николаев, Украина)
производительностью 0,6; 1,6; 4 и 10 м3/ч
и предназначались для очистки судовых
льяльных вод. Они имели очистную
способность 15 млн-1 и отличались
высокой эффективностью даже при
большой концентрации нефтепродуктов в
очищаемой воде. Однако при контакте с
морской водой из-за коррозии разрушались трущиеся детали подшипников
ротора центрифуги, возникала разбалансировка вращающейся массы (6000
об/мин) и появлялась сильная вибрация. Поэтому их дальнейшая эксплуатация
на судах была запрещена Регистром.
Конструкции гидроциклонов по сравнению с центрифугами значительно
проще. Они компактны, дешевы в изготовлении и весьма распространены в
технике. Однако практически полностью отсутствуют методики расчета гидроциклонов для разделения систем типа «жидкость – жидкость».
Имеется множество разновидностей напорных гидроциклонов (циклонов, в
корпус которых очищаемая вода поступает под давлением). Они в большинстве
своем имеют вертикальный корпус с патрубками (рис. 40), состоящий из верхней цилиндрической части 1, закрытой сверху крышкой 2, и нижней части,
125
имеющей вид усеченного конуса 3.
Очищаемая вода под давлением нагнетается в гидроциклон через тангенциальный патрубок 4, и приобретает вращательное движение по спирали вниз к
вершине конуса (в пристенной области).
Здесь, нисходящий спиральный поток
разделяется. Капельные нефтепродукты,
вращаясь в горизонтальной плоскости,
имея меньшую плотность по сравнению с
водой, приближаются к оси аппарата и по
внутренней спирали поднимаются снизу
вверх, где входят в верхний сливной
патрубок 6, установленный в крышке 2
по оси гидроциклона.
Рис. 40. Принципиальная схема напорного
гидроциклона
Основная
масса
нефтепродуктов
накапливается в области вертикальной
оси гидроциклона, поднимается вместе с
внутренним круговым потоком вверх, где
выводится с каким-то количеством воды. При этом предельный диаметр частиц
дисперсной фазы, отделяющихся в гидроциклоне, соответствует его геометрическим характеристикам и физическим свойствам нефтеводной смеси.
Вода, имеющая большую плотность по сравнению с нефтепродуктами, под
действием центробежной силы перемещается к стенкам гидроциклона и по
винтовой траектории опускается вниз к нижнему выпускному отверстию 5, через которое она выходит из гидроциклона с небольшим количеством нефтепродуктов.
Если рассмотреть движение дискретной частицы в сплошной водной среде,
вращающейся с тангенциальной скоростью wτi на радиусе ri , то условием равновесия сил, действующих на неё (центробежной силы и силы сопротивления
π 3 wτ2i
d Δρ
= 3πdwr μ ,
(79)
среды), будет выражение
6
ri
где wτi – тангенциальная составляющая скорости потока на радиусе ri ; Δρ – разность плотностей дискретной и сплошной фаз; μ – коэффициент динамической
вязкости двухфазной среды; wr – скорость осаждения частицы в радиальном направлении; d – диаметр частицы в поле действующих сил.
Если принять, что ri – радиус сливного патрубка дискретных частиц, тогда
предельный диаметр отделившейся в гидроциклоне частицы, рассчитанный из
этих условий равновесия, можно определить по формуле dп р =
18 μ wr ri
, (80)
Δρ wri2
откуда следует, что по мере возрастания тангенциальной скорости (при увели126
чении подачи очищаемой воды) в гидроциклоне будут отделяться все меньшие
частицы, попадающие в выпускной патрубок 6 гидроциклона.
При разделении систем «масло в воде» такого постоянства не наблюдается.
В реальных условиях при разделении в гидроциклоне эмульсий существует
такая критическая скорость на входе в гидроциклон, при достижении которой
происходит не отделение капель нефти от воды, а их дробление.
Так, если повышать скорость входа нефтеводной смеси в гидроциклон, то
возрастает и ускорение капель от центробежной силы. Это увеличивает градиент сдвига и напряжение сдвига, действующие на капли эмульсии в поле центробежных сил.
Вначале в поле сдвигающих сил капля сохраняет свою форму и лишь вращается вокруг своей оси. С повышением нагрузок капля она деформируется и
может самопроизвольно разорваться на капли меньшего размера. Диаметры
вновь образованных капель могут оказаться меньшими, чем расчётный предельный диаметр капель для данного гидроциклона, и, следовательно, действующей в потоке центробежной силы будет уже недостаточно для отделения от
воды вновь образовавшихся мелких капель. В этом случае гидроциклон, разрушая капли дискретной фазы и не отделяя их от водной среды, начинает работать как эмульгатор.
Для точного расчета режима работы гидроциклона (режим разделения или
эмульгирования) необходимо знание критических напряжений, действующих
на диспергированные капли нефтепродукта.
На каплю действуют различные силы (сила тяжести, центробежная, вязкости, сдвига и поверхностного натяжения). Последняя сила всегда препятствует
разрушению нефтяной капли в воде.
Соотношение всех вышеперечисленных сил с силой поверхностного натяжения М. Бонет описывает в виде безразмерных критериев:
для силы тяжести
для центробежных сил
для сил вязкости
для сил сдвига
d 2 Δρ
We
;
σ
Fr
d 2 Δρwτi W e
K2 =
=
Ф ;
σri
Fr р
K1 =
K3 = μ
=
wτi
=
We
;
Re
σ
w d We 1
K 4 = μ τi =
,
σri
R e ri
(81)
где σ – коэффициент поверхностного натяжения; We– критерий Вебера; Fr –
критерий Фруда; Re – критерий Рейнольдса.
Во вращающемся нефтеводном потоке в гидроциклоне на капельный нефтепродукт в основном воздействует сила сдвига. Поэтому определяющим критерием для процесса разрушения капли будет критерий К4. При значениях К4
меньших, чем его критическое значение, гидроциклон будет работать в режиме
разделителя, а при значениях К4 больших, чем его критическое значение, – в
режиме эмульгатора. М. Бонет не указывает критическое значение критерия К4.
Однако из анализа выражений (81) следует, что результаты разделения будут
127
ухудшаться при незначительном поверхностном натяжении, высокой вязкости
сплошной среды и возрастании градиента сдвига. С повышением давления на
входе в гидроциклон возрастает скорость потока смеси на входе и К4 приобретает значения выше критического, что приводит к вторичному эмульгированию
нефтепродукта.
Для разрушения капель нефтепродуктов имеет значение наряду с производительностью циклона и концентрацией компонентов в исходном продукте
также и то, какой из них, легкий или тяжелый, составляет дискретную фазу.
Поскольку нефтесодержащие воды могут содержать механические примеси,
которые также необходимо удалять, делаются многочисленные попытки использовать для очистки таких сточных вод трехпродуктовые гидроциклоны
(рис. 41), в которых происходит одновременно выделение легкой фазы 1 нефтепродукта и тяжелой фазы 3 механических примесей. Легкая фаза выводится через верхний сливной патрубок, тяжелая фаза – через нижнее отверстие,
а для вывода осветленной жидкости (очищенной воды) служит дополнительный выход 2, тангенциально установленный в верхней части гидроциклона,
выше входного патрубка 4.
4
4
4
Рис. 41. Принципиальные схемы трехпродуктовых гидроциклонов: а, б – конические;
в – цилиндрический; 1 – выход легкой фазы; 2 – выход очищенной воды;
3 – выход тяжелой фазы; 4 – подача очищаемой смеси
Оценивая перспективы использования напорных гидроциклов для очистки
нефтесодержащих вод, следует отметить, что, несмотря на то, что по сравнению
с гравитационными отстойниками гидроциклоны имеют большую производительность (работают со сравнительно большей гидравлической нагрузкой),
пропускная способность и глубина очистки от нефтепродукта отдельного гидроциклона невелика. Поэтому на морском транспорте гидроциклоны применения не получили, хотя раньше на танкерах для очистки балластных нефтесодержащих вод были попытки использования гидроциклонов большой производительности (250–300 м3/ч) фирмы «Турбуло». Оценка их результативности и
128
факты дальнейшего использования в технике очистки нефтесодержащих вод,
как в стационарных условиях, так и на водном транспорте, отсутствуют.
Визуальные наблюдения Г. А. Роева за цилиндрическим гидроциклоном
диаметром 80 мм с питающим отверстием диаметром 16,5 мм показали, что при
давлении на входе в гидроциклон более 0,03 МПа разделение компонентов
нефтеводной смеси не происходит. При давлении 0,02–0,03 МПа разделение
происходит неэффективно, а при давлении 0,006–0,02 МПа гидроциклон работает как разделитель. Причем 90–95 % нефти, поступающей с очищаемой водой, разгружается через центральный сливной патрубок , в среднем 1,5 % уносится вместе с водой, а остальная нефть находится в промежуточном продукте.
Оптимальная скорость воды на входе в гидроциклон = 3,0–4,5 м/с. При этом
отмечается, что в зависимости от конструкции и размеров гидроциклона соотношения размеров его отверстий и концентрации нефти в исходном продукте и
оптимальное давление на входе могут меняться.
Весьма эффективным может оказаться объединение гидроциклонов с другими аппаратами для разделения нефтеводных смесей в едином многоступенчатом технологическом комплексе. Правильно подобранная комбинация аппаратов позволит в полной мере, используя преимущества каждого из них, компенсировать присущие им недостатки.
9.2.4. Очистка нефтесодержащей воды фильтрованием
Очистка воды от суспензий фильтрованием в технике применяется достаточно широко. Однако теоретически процесс фильтрования нефтесодержащих
вод изучен недостаточно вследствие сложности явлений, имеющих место в порах фильтрующего материала. Поэтому при разработке технологических схем
очистки и их аппаратурного оформления используют экспериментальные данные и опыт работы аналогичных очистных устройств.
Процесс разделения нефтеводных смесей методом фильтрования состоит в
задержании частиц нефтепродуктов слоем фильтрующего материала при
фильтрации через него очищаемой воды.
Известны разные схемы и области действия механизмов отсева (задержания)
дискретных частиц при фильтрации водных суспензий: ситовый, диффузионный, седиментация, зацепление, инерционный, электрокинетический. Однако
процессы фильтрации нефтеводных эмульсий – ещё сложнее. Поэтому до настоящего времени они остаются мало изученными.
На практике в разные годы в качестве фильтрующих материалов для очистки судовых нефтесодержащих вод получили распространение природные и
синтетические пористые материалы: природный туф, уголь, кокс, люфа, древесные опилки, асбестовые материалы, а также полипропилен, полистирол, эластичный пенополиуретан (поролон), фенольно-формальдегидная смола и пр.
Фильтры на основе этих материалов имеют фиксированную порометрическую
систему, т. е. обладают неизменяющейся определённой пористостью, которая
характеризует их нефтеёмкость. Очистить (регенерировать) и повторно использовать её после загрязнения нефтью не представляется возможным. Иначе тре129
буется разрушить пористую структуру материала, например, сжатием чтобы
выделить из неё отфильтрованные нефтепродукты. Поэтому фильтры, изготовленные из вышеуказанных материалов, имеют ограниченный ресурс (50–100 ч).
После загрязнения их нефтью они требуют замены и утилизации сжиганием.
В технике очистки льяльных вод наибольшее распространение получили
фильтры, заполненные легко доступными зернистыми материалами, такими как
кварцевый песок, цеолиты, чугунолитейный шлак, керамзит и др. Фильтры на
основе этих материалов имеют пористо-переменную структуру, образованную
зёрнами различной формы и крупности, которые могут «разбираться» и промываться после заполнения их нефтепродуктом. Поэтому ресурс фильтров на основе загрузки из сыпучих зернистых материалов значительно выше, чем у
фильтров с пористо-постоянной структурой.
Работа задерживающего фильтра основана на прилипании капель нефтепродукта к поверхности пористого материала при фильтрации очищаемой воды.
Экспериментально установлено, что если размеры этих капель соизмеримы с
размерами пор фильтрующей загрузки, то процесс очистки воды при скорости
фильтрации 1,5÷3 мм/с будет эффективным. При меньших скоростях фильтрования достигаются лучшие результаты. Увеличение скорости фильтрования вызывает увеличение перепада давления на фильтре. Это приводит к деформации
и самопроизвольному распаду (вторичному эмульгированию) капель нефтепродукта, что снижает эффективность очистки нефтесодержащей воды.
Процессы фильтрации нефтеводных эмульсий через слой зернистой загрузки фильтра состоят: из приближения и контакта капель нефтепродукта с поверхностью материала загрузки, сопровождающиеся вытеснением пленки воды
с поверхности зерен; адгезии капель на поверхности зёрен и заполнения плёнкой нефтепродукта наиболее узких поровых каналов зернистого слоя. Эти процессы определяются множеством технологических параметров, в первую очередь свойствами зернистой загрузки и фильтруемой эмульсии.
Адгезия жидкости на поверхности фильтрующего материала оценивается
работой, которую надо затратить для отрыва жидкости от твердой поверхности.
Адгезионное взаимодействие между жидкой и твердой фазами распространяется на небольшое расстояние в глубь жидкости. Это расстояние измеряется
размерами молекул. По мере удаления слоя жидкости от поверхности твердого
тела адгезионное взаимодействие уменьшается.
Адгезия и смачивание – это две стороны одного и того же явления. Адгезия
обусловливает взаимодействие между твердым телом и находящейся в контакте
с ним жидкостью, а смачивание – это явление, которое происходит в результате
этого взаимодействия.
Адгезия и смачивание характеризуются поверхностным натяжением контактирующих тел и краевым углом смачивания (рис. 42). Работа адгезии
Lа = σ ж .г (1 + cos θ ) ,
(82)
где σ ж .г – поверхностное натяжение на границе «жидкость – газ»; θ – краевой
угол смачивания жидкостью твердого тела; при θ < 90° поверхность по отношению к воде гидрофильная, при θ > 90° – гидрофобная.
130
Рис. 42. Различные случаи смачивания твёрдой поверхности:
Ж – жидкость; Т – твёрдое тело; θ – краевой угол смачивания; σ ж .г , σ т .г и
σ т .ж – поверхностное натяжение на границе фаз соответственно: «жидкость –
газ», «твёрдое тело – газ» и «твёрдое тело – жидкость»
Процесс фильтрования эмульсии происходит при контакте твердой поверхности (загрузки фильтра) с двумя жидкостями (водой и нефтепродуктами). Если каждая из этих жидкостей смачивает твёрдую поверхность, то, очевидно,
между ними будет происходить конкуренция. Исходя из того, что смачивание
определяется соотношением молекулярных сил, действующих между молекулами каждой отдельной жидкости, с одной стороны, и молекулами жидкостей и
твердого тела – с другой, лучше смачивать поверхность будет та жидкость, значение полярности которой ближе к полярности твердого тела. Так как полярность жидкости определяет взаимодействие между её молекулами и характеризуется поверхностным натяжением, то чем меньше поверхностное натяжение
жидкости, тем лучше смачивается ею твердая поверхность.
Нефтепродукты относятся к полярным жидкостям с низким поверхностным
натяжением порядка (20÷35) ·10-3 Н/м и смачивают практически все твердые
тела. Вода с поверхностным натяжением 72,75 ·10-3 Н/м относится к полярным
жидкостям, и смачиваемость ею твердых тел значительно ниже.
Поток двухфазной жидкости (нефтесодержащей воды) оказывает механическое воздействие на пленку прилипшего слоя одной из фаз, которое проявляется в виде тангенциальной силы, направленной по касательной к пленке, и динамической силы, действующей на торец прилипшей пленки. На прилипшую
плёнку помимо механического воздействия оказывают влияние молекулярноповерхностные процессы. К их числу относятся адгезионное взаимодействие и
смачивание контактирующих между собой фаз.
В зависимости от соотношения механического и молекулярноповерхностного воздействия потока жидкости на прилипший слой можно выделить три случая:
• механическое и молекулярно-поверхностное воздействие потока достаточно для полного вытеснения прилипшей пленки воды нефтью;
• механическое и молекулярно-поверхностное воздействие потока не в состоянии преодолеть адгезию пленки, и процесс её вытеснения не происходит;
• частичное удаление пленки под действием потока очищаемой воды.
131
Адгезия и смачивание шероховатых поверхностей имеют ряд особенностей.
Причины изменения краевого угла, работы адгезии и критического поверхностного натяжения – наличие выступов на поверхности и площади контакта жидкости с шероховатой поверхностью. Шероховатые смачиваемые водой поверхности становятся гидрофильными, а гладкие с небольшой площадью контакта,
не смачиваемые водой поверхности – гидрофобными. Например, кварцевый песок относится к гидрофильным материалам (хорошо смачивается водой). В начальный период адгезия гидрофобных капель нефтепродукта на гидрофильных
зернах песка затруднена. Закреплению и адгезии отдельных его капель способствует нарушение гидрофильности поверхности зерен песка, шероховатость
поверхности песка и капиллярные явления в зёрнах. С течением времени закрепленные на некоторых зёрнах песка капли нефтепродукта вытесняют гидратную оболочку, постепенно вовлекая в процесс всю наружную поверхность зёрен. Она при этом приобретает гидрофобные свойства, что улучшает условия
адгезии эмульгированных нефтепродуктов. Поэтому для улучшения качества
очистки нефтесодержащей воды в фильтрах с зернистой загрузкой используются искусственно гидрофобизированные песок и керамзит.
Для сферических частиц нефти радиусом Rн и шарообразных зёрен фильтрующего материала, имеющих радиус Rз и находящихся в воде, силу притяжения F можно определить по формуле
F = −2π
Rн Rз
Rн + Rз
( σ з .н − σ з .вод − σ н .вод ) ,
(83)
где σ з .н , σ з .вод , σ н .вод – поверхностное натяжение соответственно на границе раздела: «зерно – нефть», «зерно – вода» и «нефть – вода».
После образования на поверхности зёрен пленки из нефти условия адгезии
более мелких капель изменяются. При этом σз.н = σн.н , где σн.н – поверхностное
натяжение на границе «нефть – нефть», а σз.вод = σ н .вод , т. к. граница раздела между зернами загрузки и водой исчезает. Учитывая, что пленка нефти образована тем же веществом, что и капли эмульсии, σ н .н = 0, в этом случае
F = 4πσ н .вод
Rн Rз
Rн + Rз
.
(84)
В связи с тем, что в зернистых фильтрах при разделении тонкодисперсных
эмульсий Rз >> Rн величиной Rн в знаменателе можно пренебречь. Тогда
F = 4πσ н .вод Rн .
(85)
Анализ последнего выражения показывает, что при уменьшении размеров
капель эмульсии или снижении поверхностного натяжения на границе «нефть –
вода» (например, при наличии в смеси ПАВ или при предварительном подогреве смеси) эффективность фильтрационного разделения эмульсий будет уменьшаться. Это выражение применимо только для качественной оценки взаимодействия капель эмульсии с зернистой загрузкой, т. к. не учитывает всего многообразия факторов, влияющих на этот процесс. Большинство из них зависит от
расстояния между каплей и поверхностью.
132
В справочной литературе поверхностное натяжение жидкостей приводят
обычно на границе с воздухом. Поверхностное натяжение на границе раздела
двух жидкостей можно определить по правилу Антонова, согласно которому
межфазное натяжение равно разности поверхностных натяжений этих жидкоσ н.вод = σ вод.г − σ н.г ,
стей на границах с газом
(86)
где σвод.г и σн.г – поверхностное натяжение соответственно воды и нефтепродукта
на границе с газом.
Рассмотренные факторы являются основными, но недостаточными, чтобы
оценить эффективность работы ФО. Важные параметры фильтра – крупность
зёрен и высота фильтрующего слоя, а также скорость фильтрации, которые определяют вероятность столкновения и закрепления эмульгированных капель на
поверхности загрузочного материала.
Обычно фильтры с загрузкой из кварцевого песка используют для фильтрования в направлении «сверху вниз» (рис. 43 а).
Рис. 43. Принципиальные схемы
фильтров для очистки воды:
А – подача очищаемой воды; В – выпуск
воздуха и нефти; С – подача промывочной
воды; Д – выпуск очищенной воды; 1 –
корпус фильтра; 2 – сетка; 3 –
фильтрующий материал
При промывке таких фильтров
происходит
гидравлическая
классификация
(распределение)
загрузочного материала и наиболее
мелкие зёрна оказываются в
верхнем фильтрующем слое. Ими задерживается основная масса нефтепродуктов, и нефтеёмкость загрузки фильтра используется далеко не полностью. Результаты эксплуатации и исследований показывают, что наиболее эффективно
работает только верхний слой высотой 0,2÷0,4 м. Нижние слои используются с
весьма низкой эффективностью в связи с увеличением крупности зёрен загрузки и уменьшением размеров капель эмульгированных нефтепродуктов. Из-за
быстрого загрязнения верхнего слоя значительно увеличивается сопротивление
зернистой загрузки, и фильтры приходится промывать при достижении предельных потерь напора.
Для устранения указанных недостатков целесообразно использовать фильтры с восходящим потоком в направлении убывающей крупности загрузочного
материала (рис. 43 б). При этом нефтеёмкость и продолжительность фильтроцикла увеличивается в ряде случаев в 3÷5 раз. Однако такой режим допустим
при скорости фильтрации не более 1,0÷1,5 мм/с. При больших скоростях происходит взрыхление (взвешивание) фильтрующего слоя; он всплывает (увеличиваются поровые каналы в зернистой загрузке) и эффективность процесса резко ухудшается.
133
Известно, что эффективность фильтрования увеличивается при добавлении
в очищаемую воду коагулянтов и флокулянтов. Однако в судовых компактных
очистных установках это пока не нашло применения.
На морских судах для очистки льяльной воды используются (в установках
типа УСФ, УКФ, ОНВ и др.) напорные фильтры (рис. 43 а), где в качестве сорбента применяют: активированный уголь, пенополистирол, котельные и металлургические шлаки. Фильтрование в таком фильтре происходит со скоростью
1,5÷3,5 мм/с при расходе воды не более 5 м3/ч. Это и определяет габариты ФО.
Продолжительность фильтроцикла зависит от состава льяльных вод и колеблется от 12 до 48 ч. Остаточная концентрация нефтепродуктов составляет
10÷15 млн-1 при начальном их содержании 40÷150 млн-1.
Напорные фильтры промывают обратным током чистой воды (снизу вверх)
в течение 10÷15 мин. Отмывка загрузочного материала от НП значительно
улучшается при использовании подогретой воды (70÷80 оС).
В безнапорных фильтрах (рис. 43 б) процесс фильтрования происходит в
направлении снизу вверх со скоростью 1,3÷2,0 мм/с. Фильтры загружают зернистым материалом, плотность которого выше, чем у воды. Например, кварцевым песком (слоем 1÷1,2 м) на поддерживающем слое гравия или щебня (толщиной 0,15÷0,2 м). Регенерацию такой фильтрующей загрузки проводят барботажем воздуха снизу вверх с последующей промывкой загрузки горячей водой.
На фильтры рекомендуется подавать нефтесодержащую воду с концентрацией
не более 50÷60 млн-1. При увеличении концентрации нефтепродуктов в очищаемой воде эффективность фильтрования заметно снижается.
Один из путей интенсификации фильтрования сточных вод – применение
фильтрующих материалов с развитой поверхностью и высокой пористостью.
Нефтеёмкость некоторых материалов с размерами частиц 0,5÷2 мм при температуре 20 оС характеризуется следующими показателями, кг/кг: кварцевый песок – 0,11; дробленый антрацит – 0,2; дробленый керамзит – 0,33; котельный
шлак – 0,2÷0,3; литейный кокс – 0,25.
В напорных фильтрах очищаемая вода под давлением фильтруется в направлении «сверху вниз». Поэтому гидравлическое сопротивление фильтра и
давление в корпусе его со временем увеличиваются.
В безнапорных фильтрах подача очищаемой воды осуществляется снизу
вверх. Это позволяет взрыхлять фильтрующую загрузку, от чего гидравлическое сопротивление и давление в корпусе при очистке воды увеличиваются незначительно. По перепаду давления на фильтре (по величине потери напора)
оценивают ресурс фильтрующей загрузки.
Капли НП в фильтрующем материале отфильтровываются (задерживаются),
образуя на поверхности его порового пространства плёнку. Толщина этой
плёнки со временем увеличивается, и её внешняя граница (фронт) перемещается вглубь фильтрующего слоя, к его противоположной границе.
В настоящее время для очистки судовых льяльных вод используются эластичные полимерные материалы, обладающие гидрофобными свойствами, в частности пенополиуретан («поролон»), который имеет открыто ячеистую структуру со средним размером пор 0,8÷1,2 мм. Он обеспечивает значительную по134
глощающую способность по нефтепродуктам, но производится из нефти, поэтому теряет прочность при длительном контакте с дизельным потливом.
В отличие от обычной фильтрации в технике разделения нефтеводных смесей применяют ультра- или геперфильтрацию (УФ или ГПФ), где для очистки
воды от диспергированных частиц нефти используют полупроницаемые мембраны, например, на основе целлюлозы, через которые под давлением от 3-х до
5,5 МПа продавливают молекулы воды, а более крупные, чем размеры пор, молекулы нефтепродуктов и их ассоциаты потоком воды смываются из мембранного пакета или рулона (рис. 44) и в виде концентрированного водонефтяного
раствора (концентрата). Концентрат нефтепродуктов из питательного канального пространства возвращается в сборную цистерну для повторной обработки.
Вход
воды
очищаемой
Перфорированная центральная труба
Выход очищенной воды
Мембрана
Выход концентрата
Наружная обечайка
Проницаемый материал
Питательное пространство
Рис. 44. Конструкция мембранного рулона сепаратора типа «Ultra-Sep»
Общий вид судового фильтрующего оборудования на основе ГПФ (сепаратора типа «Ultra-Sep», США) представлен на рис. 45.
Рис. 45. Общий вид фильтрующего
оборудования типа «Ultra-Sep» (США)
Эта установка полностью агрегатированная, компактная и соответствует требованиям Резолюции ИМО
МЕРС 107(49). ФО производительностью 2,5 м3/ч имеет стоимость
$30000 USD.
Методы УФ и ГПФ целесообразно использовать на морских судах,
когда объем стоков невелик относительно поверхности мембран (десятки л/м2·час).
Недостатком всех рассмотренных фильтров является то, что в результате их
регенерации (обычно промывкой чистой водой) образуются высокоэмульгированные и весьма стойкие эмульсии, существенно затрудняющие их утилизацию.
135
К настоящему времени на морском транспорте определились следующие
методы фильтрования при очистке нефтесодержащих сточных вод:
• фильтрование через пористые зернистые материалы, обладающие адгезионными свойствами (кварцевый песок, керамзит, антрацит, пенополистирол, котельные и металлургические шлаки и др.);
• фильтрование через волокнистые и эластичные материалы, обладающие
сорбционными свойствами и большой нефтеёмкостью (нетканые синтетические материалы, такие как эластичный пенополиуретан и др.);
• фильтрование через пластинчатые пакеты, пористые зернистые и волокнистые материалы для укрупнения эмульгированных частиц нефтепродуктов (коалесцентные устройства и фильтры-деэмульгаторы).
Два первых метода близки по основным технологическим принципам, лежащим в основе процесса отделения нефтепродукутов от воды, и отличаются
нефтеёмкостью, способностью к регенерации фильтрующей загрузки и конструктивным оформлением.
Третий метод относится к коалесцентной обработке нефтеводной смеси и
принципиально отличается от первых двух, т. к. период фильтроцикла, характерный для первых двух методов, только завершает этап «подготовки» коалесцентного фильтра-деэмульгатора к работе. После этого образовавшаяся в результате фильтрации плёнка нефтепродукта дренирует в направлении потока
жидкости. При организации безотрывного дренажа образовавшейся плёнки ФО
может обеспечивать полную очистку воды от капельных нефтепродуктов, имея
ресурс, как показывает практика, более 10 лет.
9.3. Состав и конструкции фильтрующего оборудования,
находящегося в эксплуатации
В настоящее время все морские суда водоизмещением более 200 рег. т имеют фильтрующее оборудование (ФО) для очистки льяльных вод, одобренное
Регистром, отвечающее требованиям Резолюции ИМО А 393(Х), МЕРС 60(33)
или МЕРС 107(49) и обладающее очистной способностью до 15 млн-1.
Техническая эксплуатация устаревшего оборудования, отвечающего требованиям Резолюций ИМО А 393(Х) и МЕРС 60(33), разрешена только на судах
находящихся в эксплуатации (до выхода его из строя без замены аналогичным
новым). При выходе из строя указанного ФО оно должно заменяться только
оборудованием, отвечающим требованиям Резолюции ИМО МЕРС 107(49).
Выбор пропускной способности ФО производится в зависимости от суточного количества трюмных вод, подлежащих очистке, исходя из условия осушения льял и сточных колодцев один раз в вахту с продолжительностью работы
около одного часа.
Выбор ФО для морского судна ориентировочно производили в зависимости
от водоизмещения судна по РД 5.5270-85 (РД 5Р.5270-85), однако в настоящее
время Регистр в соответствии с рекомендацией Хельсинкской комиссии (ХЕЛКОМ) разрешает определять пропускную способность ФО (м3/ч) в зависимости
136
от валовой вместимости судна. В табл. 9 для сравнения приведены требования
того и другого документа, которые примерно согласуются между собой.
Таблица 9
Определение минимальной пропускной способности
нефтеводного фильтрующего оборудования в зависимости
от валовой вместимости или водоизмещения судна
Валовая вместимость судна, т. (водоизмещение, рег. т)
400 и более, но менее 1600 (До 1500)
1600 и более, но менее 4000 (Св. 1500 до 4000)
4000 и более, но менее 15000 (Св. 4000 до 10000)
15000 и более
(Св. 10000 до 25000)
–
(Св. 25000 до 100000)
Минимальная пропускная
способность ФО, м3/ч
по ХЕЛКОМ (по РД)
0,5 (0,6÷1,6)
1,0 (1,6÷2,5)
2,5 (2,5÷4,0)
5,0 (4,0÷10,0)
– (2 шт. по 10 м3/ч)
В настоящее время, как в России, так и за рубежом нет ФО производительностью более 10 м3/ч, отвечающих современным требованиям МАРПОЛ73/78.
Поэтому для судов водоизмещением от 25000 до 100000 т и более допускается
использование и предусматривается параллельное включение нескольких сепарационных установок производительностью до 10 м3/ч (РД 5Р.5270-85).
При этом Регистр обращает внимание российских судовладельцев на то,
чтобы ФО, поставляемое фирмой-изготовителем на морские суда России, было
одобрено им и укомплектовано свидетельством РС о типовом одобрении (испытании) и сертификатом РС, подтверждающим его изготовление под надзором
Российского морского регистра судоходства.
На рис. 46 представлена схема судового фильтрующего оборудования (ФО).
Рис. 46. Схема судового
фильтрующего оборудования
В фильтрующее оборудование обычно входят: 1 – сборный танк льяльной
воды; 2 – насосный агрегат объемного типа (поршневой или винтовой); 3 –
предвключенный механический фильтр; 4 – нефтеводный сепаратор фильтрующего или отстойно-коалесцентного типа; 5 – прибор контроля качества
137
очистки льяльной воды или сигнализатор предельного содержания нефтепродукта в сбросе, автоматически переключающий сброс воды обратно в танк 1
при помощи трехходового электромагнитного клапана 6 (при превышении установленной предельной концентрации нефтепродукта в очищенной воде); 7 –
цистерна отсепарированных нефтепродуктов; 8 – цистерна промывочной воды,
если она необходима по технологии очистки стоков.
По мере накопления нефтесодержащей воды в льялах машинного отделения
она перекачивается осушительным насосом в сборный танк 1, где осуществляется предварительный отстой капельного нефтепродукта. Толщина слоя его в
танке со временем увеличивается. Поэтому периодически необходимо отстоявшийся нефтепродукт откачивать (или отжимать забортной водой) из этого
танка, чтобы он не попадал в ФО и не загрязнял его фильтрующие элементы.
Известно, что поры фильтрующего материала в очистном оборудовании со
временем загрязняются механическими примесями очищаемой воды, взвешенными веществами, асфальтенами и парафинами, содержащимися в нефтеостатках СЭУ. Это уменьшает ресурс фильтроэлементов ФО. Чтобы продлить его, в
схеме системы очистки льяльной воды обычно предусматривают фильтр
грубой очистки перед насосным агрегатом, а перед сепаратором – предвключенный механический фильтр 3.
В случае замены насосного агрегата ФО выбор подачи насоса производится
в зависимости от пропускной способности ФО при минимальном сопротивлении системы, когда сопротивление является переменным в процессе ее работы.
Выбранный насос должен быть объемного типа и обладать минимальной
эмульгирующей способностью при подаче очищаемой льяльной воды в ФО.
Одним из основных требований Регистра ко всем судам, от выполнения которого зависит эффективность работы ФО, является отсутствие непосредственных соединений трубопроводов шламового танка (нефтяных остатков топливных сепараторов) с трубопроводом и сборным танком льяльных вод.
9.3.1. Судовое фильтрующее оборудование фирмы "FRAM"
Установки фирмы "FRAM" (Германия), а в настоящее время компании NFV
(Norddeutsche Filter Vertriebs GmbH) выпускаются производительностью от 0,25
до 10 м3/ч и соответствуют современным требованиям. На судах типа SA-15
ОАО ДВМП для очистки льяльной воды используется установки производительностью 5 м3/ч, принципиальная схема которых представлена на рис. 47.
Здесь, высокая степень очистки льяльной воды достигается последовательным
действием пяти ступеней разделения нефтеводной смеси: гравитацией в нефтесборнике 4, коалесценцией в пакете гофрированных пластин 10, фильтрацией
через фильтр 13, повторной коалесценцией через фильтр 14 с последующим отстоем в объёме корпуса 7. Отличительной частью сепаратора этой фирмы (рис.
47) является пакет горизонтально установленных параллельно гофрированных
гидрофобноолеофильных (пластмассовых) пластин 10, через который (в горизонтальном направлении поперек гофрам) протекает очищаемая вода. Нефтесодержащая вода омывает эти пластины по волнообразной траектории, поэтому
138
частицы капельных нефтепродуктов, двигаясь в почти ламинарном потоке, налипают на поверхности пластин. Небольшие отверстия на гребнях волн в пластинах (Ø 5-6 мм) дают возможность образовавшейся пленке нефтепродукта
перетекать от одной пластины к другой в направлении снизу вверх. При укрупнении частиц в потоке они всплывают к поверхности пластины и прилипают к
ней. Пакет пластин установлен в канале с плоскими стенками, который с одной
стороны приварен в виде консоли к вертикальной перегородке, а с другой стороны опирается на ролики в горизонтальных направляющих.
Рис. 47. Принципиальная схема ФО фирмы «FRAM»
Перегородка прижимается к цилиндрическому корпусу 1 крышкой 2. Корпус I имеет нефтесборник 3 с паровым подогревателем 4 и датчиком уровня
раздела сред 5. На корпусе 1 сверху установлены электровинтовой насосный
агрегат 6 и второй цилиндрический корпус 7 со своим нефтесборником 8.
Нефтесодержащая вода всасывается насосом и подается в корпус первой
ступени очистки по трубе 9. Эта труба при входе в корпус сепаратора I опускается вниз и раздваивается на две горизонтальные, подводящие очищаемую воду
вдоль внешней стороны боковых стенок камеры с пакетом волнообразных пластин 10. На выходе из трубы 9 капельный нефтепродукт сразу всплывает в
верхнюю часть корпуса и в нефтесборник 3. Более мелкие капли направляются
с водой в левую полость корпуса 1 (как показано стрелками) и входят в камеру
с пакетом пластин в направлении слева направо. Омывая этот пакет пластин,
139
капли налипают на их поверхности, укрупняются, образуя плёнку из нефтепродуктов, которая отрываясь от пластин на выходе из пакета, образует капли,
вспывающие в полости крышки 2 перед перегородкой 11, а очищенная таким
образом вода вытесняется из крышки 2 по трубе 12 в следующую ступень очистки сепаратора (коалесцентную приставку 7).
Внутри горизонтального цилиндрического корпуса 7 установлены соосно
два фильтроэлемента 13 и 14 с крышками. Очищаемая вода поступает внутрь
фильтроэлемента 13 и фильтруется от механических примесей. Проходя через
фильтрующую поверхность в радиальном направлении, вода поступает во
внутреннюю полость коалесцентного фильтроэлемента 14. Укрупняясь здесь и
образуя капли большего размера, нефтепродукты всплывают в верхнюю полость корпуса 7 в нефтесборник 8, откуда при открытом электромагнитном
клапане 15 отсасываются насосом 6 в корпус I.
Очищенная вода по трубе 16 вытесняется из сепаратора за борт судна.
Слив нефти из сепаратора происходит при открытии пневматического клапана 17. При этом пневматический клапан 18 закрывается. Воздух к исполнительным механизмам этих клапанов подается от пневмореле 19 системы автоматического управления сепаратором.
В период останова или перед пуском ФО в действие сепаратор должен всегда быть заполнен водой, которая отстаивается от капельных нефтепродуктов.
Это контролируется визуально открытием контрольно-сливных кранов верхнего и нижнего уровней на нефтесборниках сепаратора.
Коалесцентный фильтроэлемент 14 изготовлен из гофрированного листового синтетического материала и имеет паспортный ресурс 500 ч.
Пакет гофрированных пластин сепаратора подлежит промывке один раз в
год. Промывку его производят струей горячей воды или паром. Для этого открывают крышку 2 и выкатывают на роликах по специальным направляющим
пакет гофрированных пластин из корпуса.
Коалесцентный фильтроэлемент 14 и механический фильтр 13 являются деталями разового использования. После загрязнения их механическими примесями или тяжелыми фракциями нефтепродуктов они подлежат замене. Утилизация их обычно производится путем сжигания в инсинераторах (судовых печах для уничтожения мусора и промасленной ветоши).
9.3.2. Фильтрующее оборудование типа УКФ
Современное фильтрующее оборудование типа УКФ (установка коалесцентно-фильтрующая), отвечающее требованиям Резолюции ИМО МЕРС
107(49) и предназначенное для очистки судовых льяльных вод, производится
заводом «Балтия» (г. Клайпеда), выпускавшим ранее установки типа СКМ.
Производительность ФО типа УКФ – 0,6; 1,6; 2,5 и 4 м3/ч
В состав установки типа УКФ (рис. 48 и 49) входят: фильтр грубой очистки
воды (Ф1); насосный агрегат 1 (типа ЭВН) соответствующей производительности; паровой подогреватель очищаемой воды 2; фильтр тонкой очистки воды от
механических примесей (Ф2); сепаратор 3 фильтрующего типа и напорный
140
фильтр 4 для доочистки воды от остатков нефтепродуктов. Все эти элементы
соединены последовательно системой трубопроводов и установлены на общей
раме. Щит управления установкой оборудован цифровым датчиком времени
наработки оборудования и сигнализатором нефтесодержания типа АЮФ-201.
Рис. 48. Принципиальная схема установки типа УКФ
Загрязненная нефтепродуктами вода из сборной цистерны судна через клапанную коробку и сетчатый фильтр грубой очистки Ф1 всасывается электровинтовым насосом 1 и нагнетается в поверхностный подогреватель 2, где подогревается до температуры 50÷60 ˚С. Далее вода через сетчатый фильтр тонкой очистки Ф2 поступает в корпус сепаратора 3, где легкие нефтепродукты от
нее отделяются и всплывают, а тяжелые фильтруются через коалесцирующий
материал. Затем вода окончательно очищается в напорном фильтре 4 и сливается за борт судна через невозвратно-запорный клапан 5. Если концентрация нефти в сбросе превышает 15 млн-1, прибор контроля качества очистки дает электрический импульс для закрытия электромагнитного клапана 10, прекращающего слив за борт судна, и вода направляется в сборную цистерну. Такой же
клапан 9 регулирует подачу пара в подогреватель 2 в зависимости от параметров импульса от реле температуры, датчик которого контролирует температуру
воды в сепараторе. При открытии клапана 11 осуществляется заполнение
фильтрующего оборудования чистой забортной водой. Клапаны 6 и 7 предназначены для подвода к оборудованию и отвода забортной промывочной воды.
Арматура, установленная на трубопроводах, служит для отключения отдельных элементов оборудования при профилактических или ремонтных работах. Слив воды при осушении оборудования производится в цистерну сбора
льяльных вод. Для контроля состава смеси, поступающей на очистку в сепаратор, и сливаемой за борт очищенной воды на соответствующих трубопроводах
установлены типовые пробоотборные устройства 8.
Манометрами контролируется давление пара в подогревателе, давление воды на входе в подогреватель, на входе и выходе из сепаратора, а также на выходе из напорного фильтра. Мановакуумметром – давление всасывания насоса.
Сепаратор ФО типа УКФ представляет собой цилиндрическую металлоконструкцию (рис. 49 а) с двумя горизонтальными фланцевыми разъемами, со141
стоящую из нефтесборника 1, эллиптического дна 2, крышки 3 и кассеты 4.
а
б
Рис. 49. Общий вид сепаратора (а) и напорного фильтра (б) установки типа УКФ
Поток льяльной воды (рис. 49 а) поступает в нижнюю полость корпуса (а)
через кольцевой распределитель 5 и, омывая воронку 6, отделяется от тяжёлых
и лёгких капельных нефтепродуктов (КНП). Частицы отделившихся лёгких
КНП всплывают через перевёрнутую перфорированную воронку 8 в верхнюю
полость нефтесборника 1, а вода с оставшимися мелкими каплями КНП опускается вниз в воронку 6 и вытесняется в центральную трубу 7. По этой трубе
предварительно очищенная вода поднимается вверх к кассете 4, где отделяется
от КНП путем фильтрации через загрузку из частиц сорбента фенольноформальдегидной смолы марки ФС-7-2-100 (ТУ6-05-958-78), размер частиц до
6 мм. В объеме фильтрующего материала происходит укрупнение мелких частиц КНП за счет коалесцентной фильтрации, поэтому на выходе из кассеты
КНП всплывают и накапливаются под крышкой сепаратора 3, откуда отводятся
постоянно через патрубок 14 и трубопровод с дроссельной шайбой 15 в воронку. Очищенная таким образом вода через патрубок 13 вытесняется из сепаратора в напорный фильтр 16 установки, заполненный также частицами ФС.
Воронка 8 центрует трубу 7 и генерирует мельчайшие частицы нефти в воде
при разрыве плёнки НП в перфорированных отверстиях распределителя потока
жидкости в нефтесборник 1. Уровень отсепарированных здесь КНП контроли142
руется датчиками раздела сред 9 и 10 (типа РОС) и визуально кранами К1 и К2.
При контакте слоя нефтепродуктов нижнего датчика 9 открывается электромагнитный клапан 11, и они вытесняются водой в цистерну грязного топлива.
Когда уровень воды касается верхнего датчика 10, клапан 11 закрывается.
Клапан предохранительный КП1 обеспечивает аварийный слив воды при
превышении давления в установке 0,4 МПа.
В напорном фильтре (рис. 49 б) происходит окончательное отделение КНП
от воды. Фильтр 16 представляет собой вертикальный стальной цилиндр с эллиптической крышкой 17 и днищем 19. В крышке 17 кольцевой распределитель
5 в своих отверстиях генерирует эмульсию НП, а через патрубок 18 очищенная
вода выходит из фильтра. Между корпусом и днищем установлена поддерживающая перфорированная пластина с сеткой 19, на которой расположен утрамбованный фильтрующий слой 20 из частиц смолы ФС. Этот фильтр, как и сепаратор, оборудован поплавковым воздушным клапаном 12, который выпускает
воздух при заполнении корпуса водой. Клапан 21 предназначен для слива легкого нефтепродукта, который может накапливаться под крышкой фильтра в
процессе очистки нефтесодержащей воды.
Ресурс фильтрующей загрузки зависит от нефтесодержания очищаемой воды. Чем грязнее очищаемая вода, тем меньше ресурс фильтра. Фильтрующая
загрузка регенерации не подлежит и периодически требует замены. Поэтому на
борту судна должен постоянно хранится необходимый запас крошки ФС.
9.3.3. Фильтрующее оборудование типа ОНВ-М
Судовое фильтрующее оборудование типа ОНВ (рис. 50) разработано и выпускается ООО «Экос» (г. Санкт-Петербург) производительностью 0,1; 0,5; 1,0;
1,6 и 2,5 м3/ч (маркировка оборудования – ОНВ-0,1М или ОНВ-1М/п; индекс
«п» свидетельствует о наличии устройства для подогрева скапливающихся
нефтепродуктов). Эти установки предназначены для очистки льяльной воды и
имеют очистную способность до 15 млн-1 при содержании нефтепродуктов в
исходной воде до 100 %. Они одобрены Регистром, т. к. соответствуют требованиям Резолюции ИМО МЕРС 107(49). Габаритные размеры установок различны и соответствуют их производительности (от 0,8 × 0,3 × 0,85 м до
1,95 × 0,95 × 1,9 м). Масса установки c водой соответственно от 150 до 1170 кг.
Принципиальная схема установки типа ОНВ-М (рис. 50) включает в себя
очистку нефтесодержащей воды отстоем, коалесценцией и адсорбцией. Она
реализована в двух устройствах: в сепараторе 1 (отстойного типа) и напорном
фильтре 2 для тонкой очистки воды. Причем сепаратор предназначен для очистки воды от капельного нефтепродукта, а в фильтре 2 осуществляется доочистка воды от эмульгированного нефтепродукта.
Насосом 3 (объемного типа, производительность которого может регулироваться байпасом 29) нефтесодержащая вода из судовой сборной цистерны 25
подается на очистку в цилиндрический корпус сепаратора, где, проходя по центральной трубе вверх, фильтруется через коалесцентную вставку 4, загруженную каменноугольным коксом (3,5÷15 кг, частицами размером от 30 до 50 мм).
143
На выходе из этой вставки нефтепродукты в большинстве своем всплывают в
объеме воды и накапливаются в верхней части крышки 5, а предварительно
очищенная вода, меняя направление и поступая вниз, фильтруется через второй
слой зернистой загрузки (материал ФС-7-2-100, частицами размером до 6 мм),
установленный в днище 6. Причем вода вначале проходит вниз через утрамбованный слой фильтрующей загрузки, а затем в радиальном направлении выходит из этого слоя через цилиндрическую сетку, установленную в нижней части
вокруг центральной трубы. Здесь очищенная таким образом вода выходит из
днища 6 и поступает на доочистку в верхнюю половину 10 фильтра 2.
Рис. 50. Принципиальная схема установки типа ОНВ-М
Чтобы уменьшить содержание воды в слое отсепарированных нефтепродуктов, в верхней части крышки 5 корпуса сепаратора установлен кольцевой поверхностный водо-водяной подогреватель с клапанами 22 и 23. Для слива отсепарированных нефтепродуктов там же установлен поплавковый датчик 7 (типа
«Момбрей», который настроен таким образом, что поплавок тонет в слое нефтепродукта, а не воды), импульс от которого (в автоматическом режиме работы
установки) открывает электромагнитный клапан 8 и обеспечивает слив нефтепродуктов в цистерну 26. Из этой цистерны нефтепродукт может откачиваться
насосом 27 через центробежный сепаратор и далее использоваться по прямому
назначению. Фильтр тонкой очистки 2 состоит из двух отдельных взаимозаменяемых цилиндрических корпусов 10 и 11, имеющих горизонтальный разъем,
заполненных таким же, как и в днище сепаратора, утрамбованным фильтрую144
щим материалом (ФС-7-2-100 или ФС-7-2-70). Эта сборка закрыта сверху
крышкой 12, а снизу днищем 13. Пористый материал загрузки обеспечивает
очистку воды от эмульгированных нефтепродуктов адсорбцией. Паспортный
ресурс фильтрующего материала составляет 700 ч. и зависит от плотности, а
также концентрации нефтепродукта в очищаемой воде. По мере загрязнения
фильтрующей загрузки нефтепродуктами будет увеличиваться ее гидравлическое сопротивление. Поэтому в схеме предусмотрены трубопроводы подвода
(16,18 и 28), а также отвода (14) промывочной воды.
Направление движения очищаемой воды через фильтрующий материал в
корпусах 10 и 11 одинаковое. Вначале поток движется вниз, а затем (перед горизонтальной перегородкой) проходит в радиальном направлении через центральную перфорированную трубу. Габаритные размеры фильтра выбраны таким образом, чтобы скорость фильтрации не превышала 1,4 мм/с.
После фильтра 2 очищенная вода может сливаться в льяла машинного отделения через клапан 31 или за борт судна через невозвратно-запорный клапан 32.
На отливном трубопроводе после фильтра установлен сигнализатор нефтесодержания 24, который в случае ухудшения качества очистки воды автоматически останавливает электродвигатель насосного агрегата и одновременно включает аварийную световую и звуковую сигнализацию. Для контроля давления в
установке предусмотрен манометр 15, а для отбора проб воды – типовые пробоотборные устройства 19 и 30.
При работе насосного агрегата в корпусе фильтра 2 накапливается воздух,
который необходимо периодически выпускать, открывая клапан 17.
9.3.4. Фильтрующее оборудование типа Heli-Sep
Установки типа Heli-Sep фирмы «World Waters Systems, Inc.» (США) соответствуют требованиям Резолюции ИМО МЕРС 60(33), выпускались производительностью от 0,5 до 10 м3/ч, получили широкое распространение с 1998 года
на судах Тихоокеанского бассейна и имеют устройство, общий вид которого
представлен на рис. 51.
В вертикальном цилиндрическом корпусе конструктивно объединены три
ступени очистки льяльной воды: ступень первичного (грубого) отстоя 4, в которой отделяются крупные капли нефти при нагреве подогревателем 5 и оседают механические примеси, имеющие плотность больше, чем у воды; ступень
предварительной очистки воды от капельного нефтепродукта при движении
смеси вверх через пакет 6 (вертикально установленных гофрированных пластин, где одновременно протекают процессы гравитационного разделения и
коалесценции нефтепродуктов при омывании смесью коалесцентной поверхности по волнообразной траектории). Окончательная очистка воды от капельного
нефтепродукта производится при фильтровании её через слой зернистой загрузки 9, состоящий из гранул естественного полипропилена, установленный
между двумя сетками 8 и 10. Оставшиеся капли нефтепродуктов налипают на
гранулах полипропилена и коалесцируют. Когда насосный агрегат установки
145
прекращает работу, крупные капли нефтепродуктов отделяются от зерен полипропилена и всплывают вверх в нефтесборник 7.
Рис. 51. Принципиальная схема фильтрующего оборудования типа Heli-Sep
Достоинством этого оборудования является то, что в одном агрегате конструктивно объединены инженерные решения, известные ранее и получившие
своё признание в результате длительной эксплуатации ФО на морском флоте.
Так, отстоявшаяся в сборной цистерне 1 нефтеводная смесь без перемешивания
поступает в сепаратор за счет вакуума, создаваемого электро-винтовым насосом 11 при откачивании чистой воды из корпуса сепаратора. Цилиндрический
сетчатый фильтр 2 очищает смесь от механических примесей. Поток очищаемой воды, подогретой до температуры 60 оС, проходит через пакет коалесцентных пластин и разделяется на множество тонких слоев, где частицы нефтепродуктов движутся приблизительно с одинаковой скоростью вдоль коалесцентных пластин. Это обеспечивает налипание мелких капель на коалесцентных поверхностях, что переводит их в более крупные размеры. Кроме того, выбранное
вертикальное направление потока смеси через пакет способствует естественному процессу разделения её за счет седиментации тяжёлых нефтепродуктов в
полости 4, коалесценции капель при подъёме между пластинами 6 и их последующего всплытия гравитацией в нефтесборнике 7.
Установка полностью автоматизирована, имеет сигнализатор качества очистки сброса 14 (типа OCD), который воздействует на закрытие электромагнитного клапана 15 и открытие такого же клапана 16 для сброса неочищенной воды в цистерну 1. Если вода из оборудования выходит чистой, то клапан 15 ос146
тается открытым и сброс её за борт судна осуществляется через невозвратный
клапан 12. Установка нуля сигнализатора 14 производится на чистой воде, которая под давлением не более 0,15 МПа подается из промывочной системы 19
при закрытом пробоотборном клапане 13.
По мере накопления отсепарированного нефтепродукта в сепараторе толщина его слоя в нефтесборнике 7 увеличивается, нижняя граница слоя опускается и полностью покрывает длинные электроды датчика раздела сред 18. Этот
датчик реагирует на уменьшение электропроводности среды (при погружении в
нефтепродукт по сравнению с водой), воздействует на остановку электродвигателя насоса 11 и открытие электромагнитного клапана 17. Промывочная вода
поступает в сепаратор и вытесняет нефтепродукты из нефтесборника 7 через
невозвратный клапан 22 и трёхходовой кран 20 в цистерну 21. Когда уровень
воды в нефтесборнике достигнет верхнего электрода датчика 18, сигнал последнего воздействует на закрытие клапана 17 и пуск электродвигателя насоса
11. Сепаратор продолжит работу.
При кольматации фильтрующей загрузки 8 качество очистки воды в сепараторе должно ухудшается, что приведёт к срабатыванию сигнализатора 14. Поэтому промывка её предусмотрена обратным током воды в течение не менее 30
минут путем открытия промывочного клапана и клапана 17 после остановки
насоса и закрытия клапана 3. Промывочная вода одновременно поступает в полость 4 сепаратора, подогревается и промывает пластины 6. Чтобы удалить из
этой полости тяжелые нефтеостатки, плотность которых больше воды, необходимо открыть клапан 22. Сброс промывочной воды из верхней полости сепаратора осуществляется в цистерну 1 после переключения пробки крана 20.
Перед запуском сепаратора в работу необходимо убедиться, что его корпус
полностью заполнен водой. Для этого нужно воспользоваться пробными кранами 23, которые позволяют контролировать уровень и качество жидкости в
корпусе сепаратора. Если при открытии верхнего крана из него не вытекает
жидкость, необходимо проверить герметичность клапана 22 или устранить
утечки воды из корпуса. Если при открытии нижнего крана вытекает нефтепродукт, необходимо проверить автоматику слива нефтепродуктов из сепаратора.
В инструкции по эксплуатации установки отмечается, что она спроектирована для очистки льяльной воды, не содержащей эмульгированных и растворенных нефтепродуктов, а также поверхностно-активных веществ, способных
образовывать стойкие нефтеводные эмульсии.
9.3.5. Фильтрующее оборудование типа OS (Корея)
С вступлением в силу требований Резолюции ИМО МЕРС 60(33) широкое
распространение на небольших морских судах Дальневосточного бассейна получили установки типа OS-0,5 и OS-1,0 южнокорейской фирмы «HAN YOUNG
ENGINEERING CO. LTD», одобренные Регистром и имеющие производительность соответственно 0,5 и 1,0 м3/ч. Принципиальная схема установки типа OS
представлена на рис. 52. Фильтрующее оборудование типа OS работает в напорном режиме и состоит из сепаратора 1 (отстойно-коалесцентного типа) и ус147
тановленного на нем доочистного фильтра 5 на основе активированного кокосового угля. Установка имеет горизонтально-поршневой насос и сигнализатор
качества очистки воды.
Рис. 52. Принципиальная схема фильтрующего оборудования типа OS
Подготовка установки к эксплуатации заключается в следующем. Вначале
корпус сепаратора 1 заполняется чистой забортной водой, которая поступает от
гидрофора через клапан 9 одновременно в корпус 1 и в доочистной фильтр 5,
вытесняется воздух из оборудования через воздушный клапан 8 и пробоотборный кран 14. После заполнения водой фильтрующего оборудования включается
подогреватель 10, который обеспечивает автоматическое поддержание температуры воды в корпусе сепаратора в пределах 40 оС.
При эксплуатации оборудования необходимо следить за тем, чтобы корпус
сепаратора всегда был заполнен водой, для этого в его верхней части установлены показатель уровня 15 и два пробных крана (на рис. 52 они не показаны),
которые позволяют при открытии убедиться, на каком уровне и какая жидкость
находится в корпусе сепаратора.
Процесс очистки льяльной воды в установке типа OS происходит следующим образом. Включается в работу поршневой насос (на рис. 52 не показан),
который из сборной цистерны судна подает воду во входной патрубок 6 коалесцентной приставки 2 корпуса сепаратора 1. Здесь очищаемая смесь, проходя
148
через лабиринты этой камеры (поверхность камеры и её перегородки окрашены
коалесцентной эмалью), отделяется от крупных капель нефтепродуктов, которые при изменении направления потока налипают на коалесцентные поверхности и образуют пленку. Пленка по мере накопления в ней нефтепродуктов отрывается и формируется в крупные капли, всплывающие через распределительную трубу 7 в нефтесборник 3. Вода же опускается вниз сепаратора и нагревается в подогревателе 10. Это интенсифицирует процесс отделения и
всплытия в нефтесборник 3 оставшихся и способных всплыть капель нефтепродуктов. В нижней полости сепаратора установлен горизонтально фильтр 4 (в
виде полого цилиндра из прессованного активированного угля, внутренняя поверхность которого ограничена сеткой). Этот сорбент фильтрует воду под давлением и отделяет от неё мелкие капли нефтепродуктов. Затем отфильтрованная вода под давлением поступает во второй цилиндрический фильтр 5 (фильтрующий материал – прессованная крошка из скорлупы обугленного кокосового
ореха в форме кольцевых дисков в количестве 12 шт.), где окончательно очищается от нефтепродуктов.
Очищенная таким образом льяльная вода через клапан 12 уходит на слив.
Контроль качества сброса осуществляется через пробоотборный клан 14. При
установке сигнализатора клапан 12 имеет пневматический привод, автоматически закрывающий сброс неочищенной воды за борт судна. Слив накопившегося
шлама или тяжелых нефтеостатков производится путем открытия клапана 16
(при работающем насосе) или при подаче промывочной воды. При необходимости фильтры 4 и 5 можно промыть чистой водой, открыв клапан 9 от судовой
системы забортной воды.
По мере накопления слоя нефтепродуктов в нефтесборнике 3, когда его
нижний уровень достигает нижнего электрода датчика раздела сред 11, открывается электромагнитный клапан 13 и нефтепродукты под давлением вытесняются через воронку в цистерну грязного топлива. Когда уровень воды в корпусе
сепаратора достигает верхнего электрода датчика 11, клапан 13 закрывается.
9.3.6. Фильтрующее оборудование фирмы
«HEISHIN PUMP WORKS CO. LTD» (Япония)
Для морских судов грузоподъемностью до 15000 т. фирма HEISHIN PUMP
WORKS CO. LTD (Япония) выпускает новый типоразмерный ряд фильтрующего оборудования (типа HMS) производительностью от 0,3 до 10 м3/ч. Технология очистки льяльной воды в новых установках осталась прежней, как и в сепараторах типа HSN-F(D). Однако конструктивно это оборудование стало более
совершенным. Оно стало более компактным и надежным (моноблок прямоугольной формы с увеличенной толщиной стенок корпуса). Установка комплектуется поршневым насосом и сигнализатором нефтесодержания шведской
фирмы JOWA. Принципиальная схема сепаратора типа HMS-200 производительностью 2 м3/ч представлена на рис. 53.
Моноблок прямоугольной формы разделен вертикальной перегородкой на
две ступени очистки 1 и 2. В нижней полости первой ступени 1 установлены
149
горизонтально три пакета прямоугольных металлических пластин 3, покрашенных (для коалесценции капельных нефтепродуктов) специальной эпоксидной
эмалью. В полости второй ступени 2 установлен доочистной коалесцентный
фильтроэлемент 4. Фильтроэлемент 4 в отличие от фильтроэлемента сепаратора
типа HSN-F состоит из пакета тонких пластин круглой формы, установленных
горизонтально, с зазором между ними примерно 0,5 мм.
11
11
10
10
9
9
2
1
4
12
7
3
12
8
5
13
6
13
Рис. 53. Принципиальная схема сепаратора типа HMS-200
Очищаемая вода нагнетается в полость 1 сепаратора через патрубок 5 поршневым насосом из сборной цистерны льяльных вод (на рис. 53 они не показаны). Проходя три раза через пакеты пластин 3, она очищается от крупных капель нефтепродуктов за счет того, что они налипают на их поверхности и коалесцируют, образуя пленку. Эта пленка увлекается током воды и отделяется от
пластин в виде крупных капель, всплывающих в верхнюю полость (нефтесборник). Вода же опускается вниз и через патрубок 6, щелевой фильтр (на рис. 22
он не показан) поступает в фильтроэлемент 4, установленный на патрубке 7.
Проходя между горизонтальными пластинами фильтроэлемента 4, вода оставляет на них мелкие капли нефтепродуктов, которые налипают и коалесцируют,
образуя пленку. Эта пленка, накапливаясь между пластинами фильтроэлемента
4, также увлекается током воды и на выходе из щели формируется в крупные
капли, способные всплывать в отстойной полости 2. Очищенная вода опускается вниз и через патрубок 8 вытесняется из корпуса сепаратора на слив.
150
В каждом нефтесборнике установлены электроды датчиков раздела сред 9,
которые обеспечивают двухпозиционное регулирование уровня накопления отсепарированных нефтепродуктов. Датчики обеспечивают открытие и закрытие
электромагнитных клапанов 10 для автоматического слива отсепарированных
нефтепродуктов.
Для ускорения процесса расслоения всплывших капель нефтепродуктов
нефтесборники каждой ступени очистки сепаратора оборудованы паровыми
поверхностными подогревателями 11 (подогреватели отсутствуют в моделях
сепараторов типа HMS, предназначенных для очистки льяльной воды, содержащей дизельное топливо).
Доступ во внутреннюю полость каждой ступени сепаратора открывается
крышками, на которых с внутренней стороны закреплены цинковые протекторы 12, предотвращающие коррозию корпуса в морской воде.
Патрубки 13 предназначены для осушения корпуса сепаратора.
Анализируя достоинства и недостатки фильтрующего оборудования типа
HMS, можно утверждать, что оно не может быть использовано эффективно при
наличии в очищаемой воде легких нефтепродуктов, имеющих плотность до
0,87 г/см3. Какой-либо нефтеемкости в элементах фильтрующего оборудования
этого типа практически нет. Поэтому эмульгированные капли дизельного топлива должны легко проходить через доочистной фильтроэлемент второй ступени. При подаче льяльной воды в сепаратор штатным поршневым насосом в напорном режиме неизбежно должна появляться эмульсия, которая в зазоре между пластинами доочистного фильтроэлемента не должна задерживаться.
Вероятно, фильтрующее оборудование типа HMS будет лучше работать при
очистке нефтеводных смесей, имеющих в своем составе грубодисперсные вязкие сорта мазутов.
9.4. Приборы контроля качества очистки льяльной воды
Современное фильтрующее оборудование для очистки льяльных вод оснащается обычно системами и приборами для автоматического контроля величины нефтесодержания в сбросе. От эффективной эксплуатации этих систем в
значительной мере зависит выполнение требований международных соглашений по предотвращению загрязнения моря с судов при судоходстве.
Среди приборов для измерения нефтесодержания в сбросе льяльных вод на
морских судах Дальневосточного бассейна получили распространение сигнализаторы типа: OR 34s фирмы «Gestra» (Германия), СНС-201 и АЮФ-201 (Грузия), ОСD-1 и ОСD-2 фирмы «Deckma» (Германия), JOWA (Швеция), FOCAS
(Япония), а также BWAM S-646 фирмы «Seres» (Франция). Все эти приборы с
01.01.2005 г. допускаются к дальнейшей эксплуатации, если они удовлетворяют
требованиям при ежегодных освидетельствованиях. Устанавливать же их взамен аналогичных и вышедших из строя с 01.01.2005 г. запрещено, т. к. они не
соответствуют новым требованиям МАРПОЛа, оговоренным в резолюции
ИМО МЕРС. 107(49). Указанным требованиям в настоящее время отвечает
только сигнализатор типа OMD-2005 фирмы «Deckma», получивший одобрение
151
Регистра и отечественный сигнализатор типа «Нева-412» фирмы «ЛюмексМарин» (Санкт-Петербург).
Принцип действия вышеуказанных приборов основан на явлении турбидиметрии в инфракрасной области спектра. Например, прибор типа BWAM S-646
состоит из концентратомера нефтесодержания с цифровым дисплеем и самописца на диаграммной ленте, размещённых во влагозащитном корпусе. Он соответствует требованиям ИМО, оговоренным в резолюции ИМО А. 393(Х), и
имеет тумблер установки двух порогов срабатывания сигнала при превышении
предельной концентрации нефтепродуктов в сбросе (15 или 100 млн -1).
Инфракрасный излучатель 1 прибора (рис. 54) излучает монохроматический
луч, проходящий сквозь измерительную камеру в виде вертикально установленной стеклянной трубки 2 (в диаметральной плоскости перпендикулярно
оси), по которой снизу вверх постоянно течёт анализируемая вода 3.
Рис. 54. Принципиальная схема
измерения оптической плотности
нефтесодержащей воды
Напротив светового луча в той
же плоскости, но с противоположной стороны трубки установлен компенсирующий фотоэлемент 4. Когда вода становится менее светопроницаемой в связи с присутствием в ней мелких частиц нефтепродуктов, энергия излучателя
увеличивается таким образом, что компенсирующий фотоэлемент принимает
всё время одинаковую световую энергию, что обеспечивает большую стабильность нулевого уровня. Настройка нуля прибора производится потенциометром
при протекании через камеру чистой воды, свободной от углеводородов.
Измерительный фотоэлемент 5, установленный в той же плоскости напротив светового луча, но под углом примерно 30о к его оси, определяет интенсивность только отражённого света, пропорциональную концентрации нефтепродуктов в анализируемой пробе.
Экспериментально установлено, что отражение света под таким углом характерно только для углеводородов. От частиц механических примесей свет отражается в основном под другими углами, отличными от 30о.
Особенностью прибора типа BWAM S-646 является наличие в нём устройства автоматической очистки внутренней поверхности измерительной камеры.
Устройство представляет собой поршень с отверстиями для протока воды и резиновыми манжетами, который приводится в действие штоком от воздушного
сервомотора. Поршень при подаче воздуха в сервомотор совершает поступательное движение внутри стеклянной трубки и своей кольцевой резиновой
манжетой очищает её стенки от возможных налипших капель нефтепродукта.
В комплекте с прибором поставляется пневматический дистанционно
управляемый трёхходовой клапан, с помощью которого в пробоотборную сис152
тему и в измерительную камеру прибора подаётся чистая вода для промывки
их, а также для калибровки и установки нуля прибора.
Аналогичный принцип измерения концентрации нефтепродуктов в воде,
описанный выше, заложен и в приборах типа АЮФ-201, OCD-1 и 2, а также в
OMD-2005 и Нева-412. Сигнализатор нефтесодержания OCD-1 разработан на
основе монитора сигнализации нефтесодержания OCD-2 и является его упрощённым вариантом. В комплектацию прибора OCD-1 индикатор постоянного
показания величины нефтесодержания не входит. Прибор поставляется в стандартном виде с отрегулированной на заводе-изготовителе установкой сигнализации на 15 млн -1 (ppm).
Сигнализатор типа JOWA работает в импульсном режиме. В момент измерения нефтесодержания поток анализируемой воды в вертикальной стеклянной
трубке останавливается при помощи клапанов, которые автоматически закрываются, а после измерения открываются.
Нами установлено, что эти приборы не реагируют на отдельные крупные
капли мазута (диаметром 1–1,5 мм) в потоке прозрачной воды. Этот недостаток
исключён в приборах типа FOCAS-1500, где анализируемый поток воды перед
измерением проходит через ультразвуковую ячейку для гомогенизации капельного нефтепродукта.
Для сигнализаторов, которые устанавливаются на ФО судов водоизмещением менее 10000 рег. т, не требуется непрерывная индикация и регистрация текущих значений концентрации нефти в анализируемой пробе жидкости. Для
них необходима только сигнализация о превышении концентрацией значения
15 млн-1. Поэтому они конструктивно проще и дешевле описанных выше приборов замера, регистрации и управления сбросом.
Примером простого по конструкции сигнализатора предельного нефтесодержания может служить прибор типа СНС-201. Прибор соответствует требованиям ИМО Резолюции А. 393(Х). Структурная схема его представлена на
рис. 55. Действие этого прибора основано на способности нефтепродуктов в
воде поглощать световое излучение и заключается в регистрации интенсивности ослабленной части светового потока, прошедшего через измерительную
кювету с исследуемой пробой воды (тот же принцип турбидиметрии).
Анализируемая нефтесодержащая вода после очистки в фильтрующем оборудовании через пробоотборное устройство 1 подаётся в сравнительную и измерительную камеры прозрачной кюветы 2, в направлении снизу вверх проходит через них и сливается в воронку 3 (далее – в льяла или в сборную цистерну
нефтесодержащих вод). Сравнительная камера кюветы имеет расстояние между
окнами (базу) 10 мм, а измерительная – 40 мм. Световой поток от лампы накаливания 4 проходит через (верхнюю) измерительную камеру, а также, отражаясь от зеркала 5, параллельно через (нижнюю) сравнительную камеру кюветы.
Так как базы камер разные, то интенсивности световых потоков на выходе из
кюветы, заполненной нефтесодержащей водой, будут неодинаковы. Световые
потоки преобразуются фотоприёмниками 6 в электрические сигналы, которые
подаются в электронный усилитель 7, затем преобразуются, логарифмируются
и вычитаются. Разностный сигнал, пропорциональный концентрации нефти в
153
воде, подаётся на вход порогового устройства 9, которое настраивается так,
чтобы при концентрации нефти в воде 15 млн-1 включалось выходное реле 10,
контакты которого включаются в схему внешней сигнализации и при необходимости в схему управления сбросом 11. Срабатывание реле 10 происходит
также и при неисправностях прибора.
Рис. 55. Структурная схема сигнализатора нефтесодержания типа СНС-201
Сигнализатор типа СНС-201 состоит из двух блоков – фотометрического с
кюветой из органического стекла и стабилизатора напряжения 8.
К недостаткам прибора следует отнести его ложные срабатывания, т. е. чувствительность к содержанию в воде взвешенных веществ и красителей, не относящихся к нефтепродуктам, но изменяющих её оптическую плотность.
Примером отечественного сигнализатора предельного нефтесодержания в
сбросе может служить прибор типа «Флюорат-411», выпускаемый ТОО «Люмэкс», г. Санкт-Петербург.
Принцип работы сигнализатора основан на модификации фотолюминесцентного метода количественного анализа нефтепродуктов в растворе и иллюстрируется работой оптической схемы (рис. 56). Оптическая схема этого сигнализатора может быть условно разбита на три канала: возбуждения люминесценции (канал 1), опорный (канал 3) и регистрации люминесценции (канал 2).
Сигнализатор работает следующим образом. Излучение ксеноновой лампы
1, работающей в импульсном режиме (частота 25 Гц, длительность импульса
около 1 мкс), проходит через конденсор 2, выделяющий спектральную область
возбуждения, светоделительную пластину 3 и фокусируется на входном торце
волоконно-оптического кабеля 7 – световода. Излучение лампы по возбуждающему волокну световода через его торец попадает в анализируемый поток нефтеводяной смеси отливного трубопровода 9 и возбуждает его люминесценцию.
154
Излучение люминесценции через торец световолокон канала регистрации 8 попадает на зеркало 10, а затем через светофильтр 5 – на фотоприёмник регистрации люминесценции 6. Электрический сигнал этого приёмника при постоянной
интенсивности света лампы пропорционален интенсивности люминесценции
эмульсии нефтепродуктов и зависит от концентрации нефтепродуктов в воде.
В опорном канале излучение ксеноновой лампы 1 проходит через конденсор
2, отражается от светоделительной пластины 3 и попадает на фотоприёмник излучения 4 опорного канала. Электрический сигнал от этого приёмника является
сигналом сравнения и служит для учёта нестабильности работы лампы от импульса к импульсу, а также для запуска импульсной электронной схемы регистрации и обработки сигналов.
Рис. 56. Оптическая схема сигнализатора типа «Флюорат-411»
Прибор конструктивно оформлен в металлическом корпусе (350 × 306 × 170
мм), общая масса его не превышает 15 кг, и имеет трёхразрядное цифровое табло для иллюстрации диапазона измерения нефтесодержания в пределах 0–30
млн-1. Оптический кабель сигнализатора соединяется с трубопроводом отливной системы ФО при помощи штуцера. Из-за ограниченной длины поставляемого световолоконного кабеля расстояние от сигнализатора до места установки
его оптической головки в трубопровод не должно превышать одного метра.
Следует иметь в виду, что точная калибровка этого сигнализатора может отличаться от заводской. Показания сигнализатора зависят от двух параметров
нефтеводной смеси – средней концентрации нефтепродуктов и степени их
эмульгирования, а также растворимости их в воде. Последний параметр зависит
в основном от типа нефтепродукта, технологии процесса подачи и очистки
нефтеводной смеси в ФО. Поэтому операция калибровки сигнализатора требуется при его первоначальной установке, т. к. показания прибора для неизменного технологического процесса очистки воды зависят только от концентрации
нефтепродуктов.
Сигнализатор типа «Флорат-411» соответствует только требованиям ИМО,
оговоренным резолюцией МЕРС. 60(33), т. к. пока не имеет запоминающего
устройства для контроля, записи и длительного сохранения данных, полученных в режиме реального времени. Этому в настоящее время соответствует
только прибор типа OMD-2005.
155
В настоящее время любое судно валовой вместимостью 400 рег. т и более,
если его ФО не имело ранее сигнализатора, должны быть оснащено им, причем
удовлетворяющим требованиям Резолюции ИМО МЕРС 107(49).
Сигнализатор должен быть снабжен также устройством, автоматически срабатывающим при содержании нефти в сбросе более 15 млн-1 с одновременной
подачей в пост управления команды на включение органов автоматического
прекращения сброса за борт недостаточно очищенной воды. Это устройство
должно также автоматически включаться при любой неисправности сигнализатора. Световые и звуковые сигналы должны быть выведены к месту несения
вахты обслуживающим персоналом, т. е. в центральный пост управления судовой энергетической установки (ЦПУ).
Любое нефтеналивное судно валовой вместимостью 150 рег. т и более, а
также любое судно, не являющееся нефтеналивным, но имеющее грузовые помещения суммарной вместимостью 1000 м3 и более, специально построенные и
используемые для перевозки нефти наливом, должны быть оснащены системой
автоматического замера, регистрации и управления сбросом балластных и промывочных вод (САЗРИУС), удовлетворяющих требованиям Регистра.
Технические требования к судовым приборам для измерения концентрации
нефти в сточной воде определены требованиями ИМО и Регистра с учетом специфики морского исполнения. Приборы должны быть водо- или влагозащищёнными. Конструкция их должна быть прочной и удобной для эксплуатации
на борту судна – надежно работать при качке и вибрации, быть стойкой к коррозии в условиях влажной морской среды.
Точность показаний судовых приборов, разработанных для контроля нефтесодержания в сбросе, обычно находится в пределах ±1 млн-1 при фактическом
содержании нефтепродуктов в анализируемой пробе не более 15 млн-1. Причем
точность их показаний не должна зависеть от наличия механических примесей
в контролируемой жидкости, а также от её цвета, солености и т. п. Точность же
срабатывания судовых сигнализаторов превышения нефтесодержания в сбросе
должна составлять ±5 млн-1.
Желательно, чтобы на показания прибора не оказывал влияние сорт нефтепродукта, в противном случае прибор должен иметь устройство, обеспечивающее калибровку для данного сорта нефтепродукта.
Весьма важным моментом при эксплуатации прибора является задержка
срабатывания его по времени (время, прошедшее от начала изменения концентрации нефтепродуктов в составе пробы, направляемой в прибор, до показания
прибором окончательного результата), которая не должна превышать 20 секунд
с момента изменения концентрации в пробе.
156
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение............................................................................................................. 3
1. Содержание дисциплины ..............................................................................4
2. Технологии обработки воды для судовых энергетических установок......5
2.1. Задачи водоподготовки...............................................................................11
2.2. Обращение воды в цикле судовой паротурбинной установки...............12
2.3. Методы предотвращения накипеобразования и коррозии................17
2.4. Технологии обработки воды фосфатами.......................................................19
2.5. Обработка воды комплексонами........................................................................23
2.6. Удаление из воды коррозионно-активных газов (деаэрация)..................25
2.6.1. Термическая деаэрация питательной воды............................................26
2.6.2. Химическое обескислороживание питательной воды....................28
3. Обработка воды в ионообменных фильтрах (химическое обессоливание)....30
4. Безреагентные методы водоподготовки........................................................34
5. Технологии опреснения морской воды.........................................................40
5.1. Термические методы и установки опреснения морской воды.................40
5.2. Физические методы опреснения морской воды.....................................43
5.3. Водные режимы судовых испарителей......................................................45
6. Технологии обработки воды для систем охлаждения..................................48
7. Технологии обработки воды для систем водоснабжения
и водоотведения на морских судах...............................................................50
7.1. Технологии обработки воды для систем независимого водоснабжения
(горячего и холодного, питьевой и мытьевой воды).................................50
7.1.1. Физические и химические показатели качества воды
хозяйственно-питьевого назначения.............................................51
7.1.2. Бактериологические показатели качества воды...............................55
7.1.3. Гигиенические нормативы и оценка качества питьевой воды..................56
7.2. Способы и системы судового водоснабжения....................................................58
7.3. Регенерация питьевой воды и оборудование
для улучшения её качества............................................................................67
7.4. Консервация питьевой воды.................................................................79
7.4.1.Технология консервации питьевой воды серебром.........................81
7.4.2. Судовые устройства для консервации питьевой воды...........................83
8. Технологии обработки воды для систем водоотведения морских судов...85
8.1. Состав и основные характеристики судовых сточных вод..............86
8.2. Требования к судовым установкам для очистки сточных вод....................89
8.3. Методы и оборудование для очистки судовых сточных вод..............90
8.4. Основы метода биологической очистки сточных вод.............................95
8.5. Методы обеззараживания судовых сточных вод....................................100
8.6. Судовые устройства для очистки сточных вод........................................103
8.6.1. Установка типа «Хлор-контакт»............................................................103
8.6.2. Установка типа «Пуритек».....................................................................104
8.6.3. Установка типа «ЭОС»...........................................................................105
157
8.6.4. Установка типа «Трайдент».............................................................................107
8.6.5. Установка биологической очистки типа «Юнекс Био»..............................108
8.7. Основные принципы эксплуатации установок биохимической
очистки сточной и хозяйственно-бытовой воды...........................................109
9. Технологии обработки судовых сточных нефтесодержащих вод............110
9.1. Структура и свойства судовых нефтесодержащих вод...........................112
9.2. Устройство и принцип действия судового оборудования
для очистки льяльных вод ........................................................................117
9.2.1. Метод очистки нефтесодержащей воды флотацией.............................117
9.2.2. Метод разделения нефтеводных смесей коалесценцией.....................119
9.2.3. Очистка нефтесодержащей воды
под действием центробежной силы.......................................................121
9.2.4. Очистка нефтесодержащей воды фильтрованием................................127
9.3. Состав и конструкции фильтрующего оборудования,
находящегося в эксплуатации............................................................134
9.3.1. Судовое фильтрующее оборудование фирмы "FRAM".......................136
9.3.2. Фильтрующее оборудование типа УКФ................................................138
9.3.3. Фильтрующее оборудование типа ОНВ-М...........................................141
9.3.4. Фильтрующее оборудование типа Heli-Sep..........................................143
9.3.5. Фильтрующее оборудование типа OS (Корея).....................................145
9.3.6. Фильтрующее оборудование фирмы «HEISHIN PUMP
WORKS CO. LTD» (Япония).................................................................147
9.4. Приборы контроля качества очистки льяльной воды............................149
158
Позиция №
в плане издания
учебной литературы
МГУ на 2013 г.
Георгий Иванович Тихомиров
ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ВОДЫ НА МОРСКИХ СУДАХ
Курс лекций
Печатается в авторской редакции
9,5 уч.- изд. л.
Формат 60×84 1/16
Тираж 200 экз.
Заказ №
Отпечатано в типографии ИПК МГУ им. адм. Г. И. Невельского
Владивосток , 59, ул. Верхнепортовая, 50а
159