Станция очистки воды вахтового поселка Сысконсыньинского месторождения АО «Новатэк-Пур»

В 2019 году в адрес Национального центра водных технологий поступил запрос на разработку технологического решения по модернизации станции подготовки питьевой воды для вахтового поселка. Существующий комплекс очистки воды в блочно-модульном исполнении, введенный в эксплуатацию в 2014 г, не обеспечивал требуемое качество очищенной воды, что подтверждалось протоколами хим.анализа, а также жалобами со стороны проживающих в вахтовом поселке на низкое качество воды – цвет, привкус и запах.

Исходная информация для разработки решения

В качестве источника водоснабжения поселка используется вода из скважины, подаваемая по выделенному водоводу. Суточное потребление воды поселка составляет 15 м3 с пиковым значением потребления в 3 м3/час.

Анализ качества исходной воды выявил существенные превышения по таким показателям как Железо (более 10мг/литр), Перманганатная окисляемость (более 8мг.О2/л), Аммонийный Азот (более 5мг/л), Марганец (более 0,5 мг/л), Цветность (более 200 градусов), Мутность (более 10ед.) и Кремний (более 15мг/л).

Задача — разработать технологическое решение, которое не только обеспечило бы стабильное качество воды на выходе из станции водоподготовки, имело оптимальную себестоимость очистки воды и требовало бы минимального участия персонала в ходе эксплуатации и обслуживании. Требуемое качество очищенной воды: соответствует СанПиН 2.1.4.1074 01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения».

Раздел 1 Исходные данные и условия реализации проекта

Исходная вода относится к высокоцветным, маломутным водам с низкой минерализацией, при этом характеризуется комплексным загрязнением, т.е. в воде присутствуют как неорганические примеси (ионы железа 2+, 3+, марганца, кремния), так и органика (показатели «аммоний-ион» и «перманганатная окисляемость»), которые взаимодействуют между собой, образуя сложные метал-органические комплексы, а также силикатные комплексы металлов.

Существующая технология очистки воды включала в себя классические приемы водоподготовки – реагентная обработка, многоступенчатое (в данном случае – 3) фильтрование, коррекцию минерально-солевого состава на установке обратного осмоса и обеззараживание УФ-излучением перед подачей воды потребителю.

Несоответствие качества очищенной воды было обусловлено, в первую очередь, ненормативными скоростями фильтрации, малым временем контакта воды с реагентами при известном сложном качестве исходной воды, а также общим состоянием оборудования, фильтрующих загрузок и мембранных элементов.

Особенности проектирования станции:

1. Высокое содержание органических веществ в исходной воде предполагает применение сильных окислителей (озон, диоксид хлора) с обеспечением времени контакта окислителей с водой.
2. Неравномерность температурного режима исходной воды, колебания температуры (нагрев при из-за чего процессы окисления, а также мембранной фильтрации могут протекать с различной скоростью, при этом качество очищенной воды должно быть стабильным.
3. Размещение станции предполагается в существующем блок-контейнере, габариты которого ограничивают типоразмер применяемого оборудования, при этом ставится задача максимально использовать существующее оборудование.
4. Удаленность объекта для доставки оборудования, материалов и специалистов компании и плохая транспортная доступность (только зимник или на вертолете).

Фото 1 Первоначальный вид станции водоподготовки до проведения работ по ее реконструкции

Новая схема очистки воды была запроектирована также на основе классических методов подготовки питьевой воды, а также с учетом теоретических закономерностей взаимодействия соединений и применения.

В соответствии с полученным техническим заданием, инженерами НПП «Национальный центр водных технологий» была разработана технологическая схема с применением комплекса методов обработки воды, которая впоследствии обеспечила бы полное соответствие качества очищенной воды предъявляемым требованиям.

Раздел 2 Применяемые технологические и технические решения

Разработанное инженерами Национального центра водных технологий технологическое решение по водоподготовки включает в себя несколько этапов обработки воды:
Первый технологический этап — фильтрация на механическом дисковом фильтре для удаления крупных частиц, взвешенных веществ размером более 130 микрон;
Второй технологический этап — предварительного комбинированного окисления исходной воды с применением озоно-воздушной смеси и гипохлорита натрия с обеспечением смешения и временем контакта воды с окислителями для снижения содержания органических примесей и окисления железа и марганца;
Третий технологический этап — последовательной трехступенчатой фильтрации на напорных фильтрах с различными типами загрузок, где:
I ступень — осветление на легком, мелкофракционном алюмосиликатном сорбенте;
II ступень — обезжелезивание и деманганация воды на смеси каталитических загрузок;
III ступень — сорбционная доочистка на активированном кокосовом угле перед подачей на ступень обратного осмоса;
Четвертый технологический этап — коррекции минерально-солевого состава с применением технологий мембранной фильтрации (обратный осмос);
Пятый технологический этап — обеззараживания воды перед подачей потребителю с помощью
ламп УФ-излучения.

Раздел 3 Технические решения

Технически, комплекс выполнен по классической схеме, в качестве дозирующих комплексов на этапе обработки исходной воды инженерами центра использованы проверенные годами насосы-дозаторы марки TEKNA EVO TPG-603, используемая озоногенерирующая установка имеет собственные концентраторы кислорода, позволяющая нивелировать изменение атмосферного давления, температуры и концентрации кислорода в исходной среде при генерации озона.

Блок напорных фильтров с зернистыми загрузками реализован с применением многофункциональных клапанов, с отсечением фильтрата в ходе промывки и промывкой чистой водой, при этом подача промывной воды обеспечивается отдельной насосной станцией с частотным регулированием «по давлению».

В качестве оборудования для коррекции минерально-солевого состава в составе комплекса установлена роботизированная обратноосмотическая установка серии «АЙСБЕРГ», производительностью 800 литов в час.

Установки обратного осмоса серии «АЙСБЕРГ», в отличие от стандартный установок обратного осмоса, обеспечивают идеальные условия работы мембранных элементов, увеличивая их рабочий ресурс, в среднем, в 2-3 раза1.

Регулирование остаточной минерализации подготовленной воды осуществляется в автоматическом режиме за счет пропорционального подмешивания к пермеату обратноосмотической установки предварительно очищенной воды. Для обеспечения подачи воды конечным потребителям используется насосная установка «ТАЙФУН» с диапазоном подачи воды от 1 до 12 м3/час со стабильным напором 45 метров, чего полностью хватает как для стабильной подачи потребителям, так и для промывки блока напорных фильтров с зернистой загрузкой.

АСУ реконструированной станции водоподготовки реализована на базе ПЛК марки Siemens с коммутацией отдельных блоков посредством протокола Siemens industrial protocol ProfyNet (c). Вся информация о текущем состоянии выводится на графическую панель оператора.

Ключевые особенности примененных решений

1. Применение озоно-воздушной смеси для окисления исходной воды с подачей смеси в две точки: трубопровод через эжектор и в резервуар через гидрозатвор для обеспечения равномерной постоянной дозы 10 г по озону;
2. Обеспечение низких линейных скоростей фильтрования и максимально возможного объема зернистых загрузок в целях повышение эффективности фильтрования и увеличения грязеемкости фильтров, повышение общей насыпной высоты фильтрующего материала за счет двухстадийной последовательности и комбинирования типов фильтрующих материалов на 1 и 2 ступенях, а также установки третьей, финишной ступени с активированным углем в условиях ограниченного пространства уже существующего блок-контейнера;
3. Автоматизация основных узлов комплекса: управление потоками фильтрации/промывки на этапе объемного фильтрования с помощью автоматических клапанов и промывка фильтров чистой водой. Управление мембранной фильтрацией и регулировка процессов мембранного разделения, смешения потоков пермеата и предочищенной воды также осуществляется автоматически, пропорционально, согласно заданному рецепту смешения с применением электрорегулируемой запорной арматуры под управлением центрального ПЛК Siemens;
4. Использование высокоточной, технологичной и надежной элементной базы общепромышленного исполнения в составе станции, что позволяет расчитывать общий ресурс оборудования на срок не менее 7 лет эксплуатации в условиях максимальных нагрузок и неблагоприятных условий работы до проведения капитального ремонта.
5. Распределенная компоновка технологического оборудования, где каждый из узлов, по сути, представляет собой независимый блок обработки воды.

Основным отличием такого построения схемы водоподготовки является удобство эксплуатации для оперативного персонала и возможность частичного резервирования отдельных узлов и элементов с возможностью проведения большинства регламентных работ и разрешения потенциально аварийных ситуаций без общей остановки станции и прекращения подачи воды потребителям.

Рис 1 Общая технологическая схема комплекса

Раздел 4 Описание работы станции

Исходная вода существующая скважинным насосом подается через механический дисковый фильтр марки Azud DX для удаления взвешенных веществ и поступает в существующую емкость объемом 800 л. Перед емкостью установлен узел окисления, в который входит озонатор производительностью 10 г/ч по озону и дозирующий комплекс реагентов ДК Пульс-603/57 (коагулянт, гипохлорит натрия).

Дозирование реагентов производится непосредственно в трубопровод исходной воды через эжектор по потоку воды Для обеспечения равномерного распределения реагентов и перемешивания с водой, устанавливается статический смеситель, где за счет особой конструкции внутренних лопастей происходит полное перемешивание с водой, таким образом, при попадании в емкость, во всем объеме воды имеются реагенты. В емкости протекают процессы окисления, в результате которых примеси в воде переходят в нерастворимую форму, при добавлении коагулянта происходит слипание частиц примесей в более крупные хлопья, которые лучше задерживаются на следующих ступенях фильтрации.

Автоматической насосной станцией с частотным регулирование Grundfos серии CMBE вода подается на напорные фильтры серии «Поток» первой ступени, загруженные легким алюмосиликатным сорбентом. При пропускании воды через фильтр на поверхности и в объеме загрузки осаждаются нерастворимые соединения, образовавшиеся на стадии окисления. На второй ступени в фильтрах серии «Поток» применяется т.н. «каталитическая» загрузка, которая способствует как дополнительному осветлению после фильтров первой ступени, фактически увеличивая общую насыпную высоту фильтрующего материала, так и доокислению железа и марганца. После второй ступени осветления вода подается на третью ступень фильтров «Поток» — сорбционных фильтров «Поток-Са» с зернистым активированным углем. Стадия сорбции необходима для снятия остаточных количеств окислителя, хлорорганики и защиты от проскока окисленных примесей после двух предыдущих ступеней осветления перед установкой обратного осмоса, а также для улучшения органолептических свойств воды (привкус, запах).

После блока объемного фильтрования вода направляется на установку обратного осмоса, перед этим проходит картриджные фильтры тонкой очистки с отсечением частиц размером более 5 мкм, предназначенные для контроля выноса загрузки со ступени сорбции. Мембранный комплекс «Айсберг RO 600 Pro» предназначен для глубокой коррекции минерально-солевого состава воды, удаления из нее кремния (с 16-18 мг/л до 6-7 мг/л). Особенностью комплекса является наличие роботизированной линии подмеса исходной воды, что позволяет получать воду требуемого качества и солесодержания. Величина подмеса регулируется автоматически в соответствии с задаваемыми параметрами в карте на щите управления мембранным комплексом, в процессе работы корректировка подмеса также производится автоматически. Очищенная вода подается в существующие накопительные резервуары, откуда насосной станцией «Тайфун 5.45.2Н.2ПЧ АСУН» подается потребителю. Перед подачей потребителю вода проходит стадию обеззараживания через установку УФ-обеззараживания. В качестве подающего насосного оборудования в составе комплекса очистки воды было принято решение о применении автоматической насосной станции серии «ТАЙФУН-50.40/2АПЧ-МС», производимых с применением насосов LOWARA итальянского концерна XYLEM, отлично зарекомендовавших себя более, чем на ста объектах промышленного назначения, реализованных нашим предприятием за последние пять лет работы центра. Насосные станции серии «ТАЙФУН» также, как и комплексы «АЙСБЕРГ», являются серийно выпускаемым оборудованием НПП «Национальный центр водных технологий».

Раздел 5 Выводы по результатам эксплуатации в течение первого года службы станции

• Комбинирование методов обработки исходной воды позволяет, с одной стороны, существенно снизить затраты на окисление за счет совместного применения озона и гипохлорита натрия, а в большинстве случаев — только озона, с другой — обеспечить возможность гибкой корректировки технологии первичной обработки воды за счет замены одного типа реагента (например Гипохлорита натрия) на другой (например — коагулянт);
• Применение статических смесителей в составе блоков первичной обработки воды существенно повышает эффективность протекающих химических процессов и позволяет существенно снизить затраты на обработку воды;
• Применение подхода многоступенчатого объемного фильтрования с применением мелкофракционных фильтрующих материалов существенно повышает общую эффективность удаления коллоидов и нерастворенных загрязнений из воды за счет существенного увеличения общей насыпной высоты фильтрующего материала, препятствующей проскоку загрязнителей после фильтров;
• Применение роботизированного мембранного оборудования — мембранных установок нового поколения, за счет обеспечения идеальных условий работы мембран и процессов мембранного разделения, на практике, существенно увеличило ресурс рулонных мембранных элементов в сравнении с ранее установленной установкой обратного осмоса стандартного, классического исполнения;
• Применение автоматических узлов смешения потоков пермеата обратного осмоса и предварительно очищенной воды существенно упрощает контроль за качеством воды на выходе из станции, снижая и трудозатраты персонала и затраты на постоянный контроль качества очищенной воды за счет автоматического контроля пропорции подмешивая, без участия операторов станции;
• Повышение уровня автоматизации технологических и технических процессов работы станции не только существенно снижают трудозатраты на ее эксплуатацию, но и защищают само технологическое оборудование от несанкционированного и/или некомпетентного вмешательства эксплуатирующего персонала.

Раздел 6 Заключение

В результате запуска и промышленной эксплуатации комплекса подготовки воды хозяйственно- питьевого назначения Заказчиком получены результаты, полностью соответствующие техническому заданию. На протяжении года круглосуточной эксплуатации, все показатели качества очищенной воды остаются стабильными.

Фактические характеристики работы комплекса очистки воды по состоянию на февраль 2021 года:

• производительность мембранного комплекса по фильтрату – 600 л/час при КПД очистки равном 75% от объема исходной воды, фактические энергозатраты – не более 0,2 кВт/м3 фильтрата;
• Объем подмешиваемой воды — 100 л/час;
• Состояние фильтрующей загрузки: первая и вторая ступени объемного фильтрования — загрузка в норме, третья ступень (сорбция) — рекомендуется замена активированного угля ввиду снижения его йодного числа и периодического проскока остаточного активного хлора;
• Расход ингибитора минеральных отложений установки обратного осмоса — 5мг/литр исходной воды;
• Качество очищенной воды полностью соответствует требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01