Сучасні технології випарювання концентрату стічних вод

Мембранні установки, іонообмінні фільтри та електродіаліз дозволяють повернути у виробництво більшу частину води, але після них завжди залишається потік із високою концентрацією солей. Скинути такий концентрат у каналізацію чи водойму часто не дозволяють нормативи, а вивезення на утилізацію коштує дорого. Тому все більше підприємств розглядає випарювання концентрату стічних вод як спосіб зменшити об’єм відходів у десятки разів, повернути чисту воду в оборот і перейти до схеми без рідкого скиду.

Що таке концентрат стічних вод і звідки він береться

Концентрат, або розсіл, це залишковий потік після процесів, які відокремлюють воду від розчинених речовин. У ньому накопичуються солі жорсткості, хлориди, сульфати, важкі метали та органічні сполуки, які не пройшли крізь мембрану або не були вилучені раніше. Основні джерела концентрату:

• концентрат зворотного осмосу після водопідготовки та доочищення стоків
• регенераційні розчини іонообмінних фільтрів
• гальванічні та травильні стоки металообробки
• фільтрат полігонів твердих побутових відходів
• висококонцентровані стоки харчових, хімічних і фармацевтичних виробництв

Залежно від схеми та складу вихідної води обсяг концентрату становить від 10 до 25% потоку, що надходить на мембрани. Для великого підприємства це десятки або сотні кубометрів на добу, для яких потрібне окреме рішення.

Навіщо випарювати концентрат: від скиду до нульового скидання (ZLD)

Утилізація концентрату традиційними способами має суттєві обмеження. Скид у міську каналізацію обмежений вимогами водоканалу щодо солевмісту, скид у водойми потребує дозволів і жорсткого контролю, а вивезення спецтранспортом швидко стає однією з найбільших статей витрат. Випарювання вирішує задачу інакше: воду забирають із розчину у вигляді пари, конденсують і отримують дистилят, а солі концентруються в невеликому об’ємі або виділяються у твердому вигляді.

Якщо після випарних установок додати етап кристалізації солей, підприємство виходить на схему нульового скидання рідких відходів (ZLD, Zero Liquid Discharge). У такій схемі з майданчика не виходить жодного рідкого потоку: вода повертається у виробництво, а тверді солі вивозять як сухий відхід або, у деяких випадках, використовують повторно.

Як працює випарювання концентрату стічних вод

В основі процесу лежить фазовий перехід. Розчин нагрівають до кипіння, вода переходить у пару, а розчинені речовини залишаються в рідині, концентрація якої поступово зростає. Пару відводять і конденсують, отримуючи дистилят із дуже низьким солевмістом.

Щоб випарувати 1 м³ води, потрібно приблизно 2260 МДж тепла, тобто близько 630 кВт·год. Саме тому сучасні методи випарювання будуються навколо повторного використання тепла пари, а не простого нагріву. Другий важливий інструмент це вакуум: за зниженого тиску розчин кипить при 40–70 °C, що зменшує корозію, ризик утворення накипу та дозволяє використовувати низькопотенційне тепло.

На виході з установки отримують три продукти:

1. Дистилят, придатний для повторного використання після мінімального доочищення.
2. Згущений концентрат, об’єм якого зменшується на 80–95%.
3. Тверді солі, якщо процес доведено до кристалізації.

Основні технології випарювання

Вибір технології визначається продуктивністю, складом концентрату, доступними енергоресурсами та тим, до якого стану потрібно довести відходи.

Багатокорпусні випарні установки

Багатокорпусна випарна установка складається з кількох послідовно з’єднаних апаратів (корпусів), у кожному з яких тиск нижчий, ніж у попередньому. Вторинна пара з першого корпусу гріє другий, з другого гріє третій і так далі. Завдяки цьому однією тонною гріючої пари вдається випарувати не одну, а дві, три чи більше тонн води. Такі установки добре підходять для великих об’ємів і для підприємств, які мають власну котельню або доступ до дешевої пари.

Механічна рекомпресія пари (MVR)

У системах з механічною рекомпресією пари вторинну пару не конденсують одразу, а стискають компресором або високонапірним вентилятором. Після стиснення її температура зростає, і пара знову гріє той самий апарат. Зовнішнє тепло потрібне переважно для запуску, а далі установка працює на електроенергії. Питомі витрати становлять зазвичай 20–40 кВт·год на 1 м³ дистиляту, що в рази менше, ніж при простому нагріві. Тому механічна рекомпресія пари стала основою більшості сучасних ZLD-проєктів.

Термокомпресія пари (TVR)

Термокомпресія працює за схожим принципом, але замість компресора використовує паровий ежектор. Свіжа пара високого тиску підсмоктує частину вторинної пари і повертає її в гріючу камеру. Обладнання просте, не має рухомих частин і часто поєднується з багатокорпусною схемою, однак потребує джерела пари високого тиску.

Вакуум-випарні установки для малих об’ємів

Для невеликих потоків, від кількох сотень літрів до кількох кубометрів на добу, застосовують компактні вакуум-випарні установки. Вони працюють на тепловому насосі або електричному нагріві, монтуються на одній рамі та підходять для гальванічних дільниць, виробництв фарб, мийних засобів і косметики. Вакуум-випарна установка дозволяє обійтися без котельні та складної інфраструктури.

Кристалізатори: випарювання до сухого залишку

Коли концентрат досягає межі розчинності солей, звичайний випарний апарат уже не може працювати без ризику заростання теплообмінних поверхонь. Далі розчин подають у кристалізатор, зазвичай з примусовою циркуляцією, де солі випадають у вигляді кристалів. Суспензію розділяють на центрифузі або фільтрі, а маточний розчин повертають у цикл. Саме поєднання випарювання і кристалізації дає змогу повністю відмовитися від рідкого скиду.

Порівняння технологій випарювання

Технологія	Джерело енергії	Енергоспоживання	Продуктивність	Типове застосування
Багатокорпусна установка	Гріюча пара	Помірне, залежить від кількості корпусів	Середня та велика	Підприємства з власною котельнею
MVR	Електроенергія	Низьке, 20–40 кВт·год/м³	Від середньої до дуже великої	ZLD-проєкти, концентрат зворотного осмосу
TVR	Пара високого тиску	Помірне	Середня	Доповнення до багатокорпусних схем
Вакуум-випарна установка	Тепловий насос або електронагрів	Помірне	Мала	Гальваніка, невеликі виробництва
Кристалізатор	Пара або MVR	Високе	Мала та середня	Фінальний етап ZLD

 

На практиці технології часто комбінують: наприклад, концентрат спочатку згущують в MVR-установці, а потім доводять до сухих солей у кристалізаторі.

Проблеми під час випарювання і як їх вирішують

Концентрат стічних вод значно складніший за чисті сольові розчини, тому обладнання для випарювання проєктують з урахуванням таких ризиків:

• Накип. Сульфат і карбонат кальцію, сполуки кремнію осідають на теплообмінних поверхнях і знижують ефективність. Рішення: попереднє пом’якшення, антискаланти, режим затравкових кристалів, апарати з примусовою циркуляцією.
• Піноутворення. Поверхнево-активні речовини та органіка спричиняють спінювання. Рішення: дозування піногасників і окиснення органіки перед випарюванням.
• Корозія. Високі концентрації хлоридів руйнують звичайну нержавіючу сталь. Рішення: дуплексні сталі, титан і спеціальні сплави для контактних поверхонь.
• Леткі домішки в дистиляті. Аміак і леткі органічні сполуки можуть переходити в пару. Рішення: коригування pH і доочищення дистиляту.

Детальний аналіз складу концентрату на етапі проєктування дозволяє уникнути більшості цих проблем ще до запуску.

Місце випарювання у загальній схемі очищення

Випарювання стічних вод майже ніколи не стоїть у схемі окремо. Щоб воно працювало стабільно та економно, стоки готують заздалегідь:

1. Усереднення стічних вод вирівнює склад і витрату потоку.
2. Хімічне осадження видаляє важкі метали та частину солей жорсткості.
3. За наявності стійкої органіки застосовують окисну деструкцію.
4. Мембрани зворотного осмосу відбирають основну частину чистої води.
5. Випарні установки згущують концентрат, а кристалізатор переводить солі у твердий стан.

Осад, що утворюється на етапах попередньої обробки, потребує окремого поводження, про яке ми писали в статті про обробку та утилізацію осаду стічних вод. Чим краще працює кожен етап до випарювання, тим менший об’єм потрапляє на найбільш енергоємну стадію.

Галузі застосування

Випарювання концентрату стічних вод найчастіше потрібне:

• енергетиці та котельням для концентрату хімводопідготовки та продувних вод
• металообробці й гальваніці для стоків з важкими металами
• харчовій промисловості та спиртовим заводам для барди, сироватки й висококонцентрованих органічних стоків
• хімічній та фармацевтичній промисловості для сольових розчинів і залишків синтезу
• нафтогазовому сектору для пластових і бурових вод
• полігонам твердих побутових відходів для фільтрату
• текстильним виробництвам для сольових стоків фарбування

Рішення від ЗІКО

Компанія ЗІКО понад 30 років проєктує та впроваджує системи очищення стічних вод і промислові системи водопідготовки для підприємств харчової, хімічної, фармацевтичної галузей та енергетики. Фахівці компанії аналізують склад стоків у власних лабораторіях, розраховують баланс води та солей і підбирають оптимальне поєднання попередньої обробки, мембранних технологій і випарювання.

ЗІКО також постачає технологічне обладнання для промислових процесів, виконує монтаж, пусконалагодження та забезпечує цілодобовий сервіс по всій Україні. 

Поширені запитання