Перспективные технологии обработки воды для устойчивой экологической стабильности
УДК 628.11
Представлен инновационный проект приеменения ветроэнергоагрегатов в установках опреснения морских и солоноватых вод методом обратного осмоса с термической утилизацией солевых концентратов и импульсным ультрафиолетовым обеззараживанием. Внедрение этого проекта обеспечит пресной водой жилые и промышленные объекты, фермерские хозяйства в районах, имеющих источники подземных солоноватых вод или расположенных вблизи морского побережья.
Ключевые слова: инновационный проект, опреснение солоноватых и морских вод, обратный осмос, утилизация солевых концентратов, импульсное ультрафиолетовое обеззараживание, суперконденсатор.
С бурным развитием промышленности и увеличением численности населения возрастает потребность в возобновлении водного ресурса. Актуальность в возобновлении водного ресурса наблюдается в регионах с малым запасом пресной воды, а именно, в Крыму и южных регионах России. Дешевые источники энергии, развитие технологий опреснения морских и солоноватых вод для получения пресной воды смогли бы улучшить ситуацию с запасами пресной воды в этих регионах и обеспечить необходимые условия для создания саморазвивающейся территориальной системы [1].
Опыт показывает, что таким недорогим источником энергии являются ветроэнергоагрегаты. Крым располагает значительными запасами ветрового потенциала, которые оцениваются величиной от 3400 до 3700 МВт. В настоящее время установленная мощность ветровых электрических станций (далее ВЭС) составляет около 1,5 % запаса ветрового потенциала. Применение автономных ветроэнергоагрегатов в установках опреснения позволило бы обеспечить пресной водой жилые и промышленные объекты, фермерские хозяйства в районах, имеющих источники подземных солоноватых вод или расположенных вблизи морского побережья.
Представленный проект является инновационным проектом, и с точки зрения социального аспекта способствует устойчивому развитию сельских территорий и обеспечения занятости населения.
Работы выполняются за счет субсидии, предоставленной Министерством образования и науки Российской Федерации Московскому государственному техническому университету им. Н.Э. Баумана (соглашение 14.577.21.0123 от 20 декабря 2014 г. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFME- FI57714X0123), и за счет средств индустриального партнера - ООО «Товарищество Энергетических и Электромобильных Проектов» (далее - Индустриальный партнер).
Денежные средства инвестируются Министерством образования и науки Российской Федерации и Индустриальным партнером в прикладные научные исследования, цель которых - применение ветроэнергоагрегатов в установках опреснения морских и солоноватых вод методом обратного осмоса с термической утилизацией солевых концентратов и импульсным ультрафиолетовым обеззараживанием.
Результатом прикладных научных исследований должен стать разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец комбинированной ветроэнергетической установки (далее - ЭО КВЭУ). Кроме того, должен быть разработан проект технического задания на опытный образец комбинированной ветроэнергетической установки для опреснения морских и солоноватых вод методом обратного осмоса с термической утилизацией солевых концентратов и импульсным ультрафиолетовым обеззараживанием. В дальнейшем Индустриальный партнер должен обеспечить производство КВЭУ и коммерциализацию проекта.
В настоящее время проведен анализ 48 научно-информационных источников, в том числе 22 научно-информационных источника за период 2009-2014 гг., касающихся современных методов получения пресной воды и утилизации концентрата, современных технологий обеззараживания воды и применения ветроагрегатов для питания электроэнергией опреснительных установок. Критериями эффективности методов опреснения считались энергетические затраты на получение одного кубического метра пресной воды, удельные капитальные затраты и удельные эксплуатационные затраты на получение одного кубического метра пресной воды. Также выполнено эскизное проектирование ЭО КВЭУ и изготавливается стенд для испытания ЭО КВЭУ.
Из проведенного анализа следует, что для опреснения воды целесообразно использовать метод обратного осмоса, так как эта технология имеет низкие энергетические затраты. Суммарные энергетические затраты при опреснении методом обратного осмоса по сравнению с термическими методами ниже от 7 до 9 раз при опреснении солоноватых вод и ниже от 3 до 4 раз при опреснении морской воды. Удельные капитальные затраты и удельные эксплуатационные затраты при опреснении методом обратного осмоса ниже от 1,5 до 2 раз по сравнению с термическими методами.
Неконтролируемый сброс минерализованных концентратов в окружающую среду приводит к засолению прибрежной полосы с крайне негативным влиянием на биосферу. Еще более острыми являются проблемы засоления при опреснении солоноватых вод артезианских скважин, поскольку сбрасываемые в грунт минерализованные концентраты проникают в водоносные слои и делают их непригодными для использования в будущем. Основным методом утилизации концентрата является термическое упаривание [2].
Очищенную воду следует обеззараживать высокоинтенсивным импульсным ультрафиолетовым излучением сплошного спектра. В качестве источников излучения использовать ультрафиолетовые лампы нового поколения - импульсные ксеноновые лампы. Такой способ обеззараживания воды обладает рядом существенных преимуществ по отношению к известным способам, базирующимся на использовании ртутных ламп различных типов. Это:
- высокая эффективность обеззараживания воды по отношению к самым устойчивым (споровым) формам микроорганизмов и биотоксинам - не менее 99,99%;
- экологичность процесса и оборудования;
- возможность полной автоматизации технологического процесса и тем самым оперативной реакции на изменения текущих условий обеззараживания воды (расхода воды, уровня ее микробиологического и химического загрязнения, степени прозрачности, интенсивности излучения лампы).
Использование энергии ветра для питания опреснительных установок, работающих по принципу обратного осмоса, затруднено по причине стохастического характера выдачи электроэнергии ветрогенератором. Для преодоления данного затруднения предлагается применять вторичные источники энергопитания в виде аккумуляторов и суперконденсаторов, которые будут гасить флуктуации первичного источника энергии.
Для питания опреснительного модуля электроэнергией предлагается использовать автономный гибридный ветроэнергоагрегат, включающий в себя ветрогенератор, контроллер, аккумуляторную батарею и дизель-генераторную установку, и накопитель энергии на базе суперконденсаторов.
Установка суперконденсаторов в цепь электропитания обратноосмотических модулей уменьшает время работы дизель-генераторной установки в 2,3 раза [3]. Такой эффект объясняется тем, что накопитель энергии на основе суперконденсаторов сглаживает кратковременные флуктуации электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ. Он накапливает в суперконденсаторах энергию, заключенную в кратковременных флуктуациях ветра, с последующей отдачей электроэнергии в цепь электропитания без крат ковременных флуктуаций.
На основании проведенного анализа была разработана принципиальная блок-схема ЭО КВЭУ, которая представлена на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема экспериментального образца комбинированной ветроэнергетической установки
Модуль электропитания установки МЭПУ состоит из автономного гибридного ветроэлектрического агрегата АГВЭлА и накопителя энергии (НЭ) (блок суперконденсаторов БСК и разрядное устройство РУ). Принцип действия МЭПУ сводится к следующему. При набегании ветрового потока на ветроколесо ветрогенератора ВГ последний преобразовывает ветровую энергию в электрическую трехфазного переменного тока.
Полученный переменный ток является нестабильным по частоте и амплитуде, так как по своей природе ветер имеет флуктуации. Далее нестабильный трехфазный переменный ток поступает в контроллер К, где он преобразуется в постоянный ток. Кроме этого, в контроллере К происходит разделение постоянного тока по величине амплитуды напряжения для подачи электроэнергии в батарею АКБ, где она хранится в виде химической энергии, для подачи в блок суперконденсаторов, где она хранится в виде электрического заряда, и на балластное устройство, где она рассеивается в окружающую среду.
При выключенных потребителях вся энергия, вырабатываемая автономным гибридным ветроэлектрическим агрегатом АГВЭлА, будет накапливаться в АКБ. Как только АКБ зарядится электроэнергией, контроллер К отключит ток от АКБ, и вся электроэнергия поступает на балластное устройство, где она рассеивается в окружающую среду.
При подключении потребителей постоянный ток напряжением 24 В поступает в автономный инвертор напряжения АИН и преобразуется в трехфазный переменный ток с напряжением каждой фазы 220В. Полученная электроэнергия имеет стабильный трехфазный переменный ток.
Если скорость ветра будет достаточной для того, чтобы электроэнергия, вырабатываемая ветрогенератором ВГ, удовлетворяла потребителей, АКБ и ДГУ не будет участвовать в питании потребителей. В том случае, если мощности, вырабатываемой ВГ, будет недостаточно для питания потребителей, энергия от АКБ восполнит недостаток. В дальнейшем при достаточной скорости ветра, когда вырабатываемая энергия ВЭУ будет превышать потребность в энергии потребителей, часть энергии будет поступать в АКБ, тем самым пополнять АКБ электроэнергией.
В том случае, если мощности, вырабатываемой ВЭУ, и энергии от АКБ будет недостаточно для питания потребителей, автономный инвертор напряжения АИН включит ДГУ, и потребитель будет питаться от ДГУ.
Накопитель энергии в виде блока суперконденсаторов БСК и разрядного устройства РУ практически постоянно участвует в работе МЭПУ, так как вырабатываемая ВГ электроэнергия имеет флуктуации. Блок суперконденсаторов накапливает броски мощности электроэнергии и отдает электроэнергию при следующем провале мощности электропитания. В итоге уменьшается время простоя обратноосмотического модуля (ООМ) за сутки - вначале, так как суперконденсатор принял энергию броска мощности вверх (не произошло защитного отключения ООМ), потом суперконденсатор отдал принятую энергию при провале генерации от ветра (опять не произошло защитного отключения ООМ).
Процесс опреснения воды протекает следующим образом. Исходная вода из скважины или моря подается в обратноосмотический модуль ООМ, состоящий из блока предварительной очистки, блока микрофильтрации, блока первой ступени обратного осмоса и блока второй ступени обратного осмоса. В блоке предварительной очистки исходная вода очищается на фильтрах с песчаной загрузкой от мелкодисперсных примесей. Предварительная очистка исходной воды происходит при движении воды с верхних слоев песчаного наполнителя к нижним. Крупные частицы застревают между песчинками, более мелкие частички прилипают к поверхности песчинок. На фильтрах с песчаной загрузкой удаляются частицы размером более 25 мкм. Образовавшийся осадок поступает в мешочные фильтры. Осадок утилизируется на полигоне технических и бытовых отходов.
Далее вода поступает в блок микрофильтрации, где она доочищается с помощью фильтрующих элементов картриджного типа. С блока микрофильтрации вода уходит с частицами менее 5 мкм. Затем осветленная и доочищенная вода поступает в блок первой ступени обратного осмоса. В обратноосмотических элементах блока опреснения исходной воды полупроницаемыми мембранами вода разделяется на два потока: пермеат (обессоленная вода) и концентрат (вода с повышенным содержанием соли). Концентрат из блока опреснения исходной воды поступает в блок опреснения концентрата.
В обратноосмотических элементах блока опреснения концентрата концентрат полупроницаемыми мембранами также разделяется на два потока: пермеат и концентрат. Пермеат из блоков опреснения исходной воды и опреснения концентрата подается в модуль импульсного ультрафиалетового обеззараживания воды (на блок-схеме МИУФО). Концентрат из блока опреснения концентрата подается в блок термической утилизации концентрата (на блок-схеме БТУК).
Предложенная в проекте схема опреснительной установки позволяет обеспечить выход пресной воды не менее 60% для морской воды и не менее 70% для солоноватых вод.
Опресненная вода из МОО поступает в МИУФО, где облучается высокоинтенсивным импульсным ультрафиолетовым излучением сплошного спектра. Такое воздействие на микроорганизмы, присутствующие в воде, вызывает в них, как правило, необратимые фотохимические повреждения, не устраняемые внутриклеточными репарационными механизмами, чем достигается высокая эффективность обеззараживания воды по отношению к самым устойчивым вегетативным и споровым формам микроорганизмов, одновременно фотодеструкции подвергаются не задержанные мембранами органические соединения и биотоксины.
Эффективность обеззараживания воды - не менее 99,99%. Источником излучения является импульсная ксеноновая лампа. Из МИУФО вода поступает в накопительный резервуар.
Концентрат из МОО поступает в блок повышающего насоса, где увеличивается напор концентрата, далее в распылители испарителя. Для повышения производительности процесса упаривания концентрата и уменьшения массогабаритных характеристик испарителя в блоке термической утилизации концентрата происходит циркуляция упариваемого концентрата. При достижении заданного значения концентрации концентрат выводится из циркуляционного контура и поступает на дальнейшую переработку для получения морской соли.
На полученном шламе из вод Черного моря следует остановиться особо. Наличие сероводорода наложило отпечаток на состав морской соли таким образом, что вода Черного моря ближе всего по составу микроэлементов к составу крови человека. В морской соли сохраняются все натуральные элементы, которые присутствуют в морской воде. Таких элементов насчитывается около 60. Перечислим только два важнейших лечебных свойства соли Черного моря: повышение иммунитета и восстановление эндокринной системы человека. Поэтому в дальнейшем планируется реализовывать морскую соль для индивидуальных ванн и как сырье для косметики.
В настоящее время выполнена разработка ЭО КВЭУ, разработка испытательного стенда для проведения исследовательских испытаний ЭО КВЭУ и ведется монтаж испытательного стенда. Технические характеристики ЭО КВЭУ представлены в таблице 1.
Таблица 1. Технические характеристики ЭО КВЭУ
Литература:
1. Басков В.Н., Камянчук А.Б. Сельское сообщество ХХI века: Пути развития. - Ирбит: ИД «Печатный вал». 2008 г. - 25 с.
2. А.А.Пантелеев, Б.Е.Рябчиков, О.В.Хорунжий и др. Технологии мембранного разделения в промышленной водоподготовке. М.: ДеЛи плюс, 2012 г. - 429 с.
3. Preliminary experimental analysis of a small-scale prototype SWRO desalination plant, designed for continuous adjustment of its energy consumption to the widely varying power gener- ated by a stand-alone wind turbine, Josе A. Carta, Jaime Gonzаlez, Pedro Cabrera, Vicente J. Subiela//Applied Energy 137 (2015) 222-239.
Promising technologies of water treatment for sustainable environmental stability
Presented an innovative project applications petroenergoservice in installations for the desalination of seawater and brackish water by reverse osmosis with thermal disposal of salt concentrates and ultraviolet disinfection. The implementation of this project will provide fresh water to residential and industrial facilities, farms in areas having sources of underground brackish waters or located near the sea shore.
Key words: innovative project, desalination of brackish and sea water, reverse osmosis, disposal of salt concentrates the pulsed ultraviolet disinfection.
Bagrov Valery Vladimirovich, Ph.D. (eng), deputy director, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.;
Kamrukov Alexander Semenovich, Ph.D. (eng), head of department;
Kostritsa Vladimir Nikolaevich, Ph.D. (eng), leading engineer, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.;
Tarasenko Alexei Borisovich, chief engineer.
Research Institute of power engineering, Moscow state technical University named after N. Uh. Bauman (MGTU im. N. E. Bauman). 105005, Russia, Moscow, Lefortovsky quay, 1
Журнал «Вода Magazine», №9 (109), 2016 г.
