Конец 80-х – начало 90-х годов прошлого века поставил перед жилищно-коммунальным хозяйством страны ряд ключевых проблем связанных с безусловной необходимостью перевооружения технической базы, внедрения современных высокоэффективных и безопасных решений и технологий.
Одной из первоочередных проблем сферы жилищно-коммунального хозяйства явилась проблема физически и морально устаревшего оборудования и материалов в области обеззараживания (хлорирования) питьевых, природных и сточных вод.
Хлорирование воды как средства ее обеззараживания было начато в начале XX века в Лондоне после эпидемии холеры. А в России хлорирование воды в первые было осуществлено в 1908 году, по той же самой причине. В последующие годы хлорирование воды как эффективное средство борьбы с инфекционными заболеваниями распространилось во всем мире быстрыми темпами и в настоящее время такой водой пользуются многие сотни миллионов людей в различных странах.
Отказ от хлорирования воды из-за его токсичности и способности образования хлорорганических соединений может привести к вспышке тяжелых инфекционных заболеваний.
Практически все отрасли промышленности в той или иной форме потребляют хлор, каустическую соду и многочисленные хлорпроизводные. Так как хлор относится к сильнодействующим ядовитым веществам, это определяет потенциальную опасность аварий, возникающих при его производстве, хранении, транспортировке и применении. Одной из ключевых задач руководителей и специалистов всех предприятий, где используется хлор, является обеспечение безопасности персонала, населения и окружающей среды.
В настоящее время существует три основных метода обеззараживания воды с пролонгированным действием: с использованием жидкого хлора, гипохлорита натрия, анолита. Ультрафиолетовая обработка воды дает локальный эффект обеззараживания, но не имеет пролонгированного действия, поэтому в современных условиях используется в сочетании с хлорсодержащими веществами. Это позволяет снизить уровень хлорирования подготовленной воды.
Однако и жидкий хлор и гипохлорит являются химически опасными веществами, утечка хлора грозит сильнейшими отравлениями людям, попавшим в зону распространения, а в силу большего удельного веса по сравнению с воздухом, хлор распространяется над поверхностью земли. Гипохлорит натрия опасен возможными выбросами газообразного хлора при попадании в емкости с кислотой (в электролизерах, вырабатывающих гипохлорит натрия, кислота используется для регулярной промывки электролизера).
В таблице 1 приведены сведения о достоинствах и недостатках известных основных и альтернативных методов и технологий обеззараживания воды.
Для современных технологий дезинфекции воды наиболее важной задачей является поиск метода, объединяющего лучшие качества известных дезинфектантов (таблица 1) и устраняющего их отрицательные качества.
Таблица №1 Характеристики некоторых дезинфектантов воды
В начале 90-х годах по заданию тогда еще Государственного унитарного предприятия «Водоканал» в г. Ленинграде, автором этих строк с группой сотрудников Инженерного Центра совместно со специалистами предприятия НПО «Синтез» (г. Москва) при научной поддержке Института коллоидной химии и химии воды АН Украины и кафедры водоснабжения и канализации ВИТУ (г. Санкт-Петербург) приступили к изучению технологий получения хлорсодержащего дезинфицирующего агента, использующиеся на мировом рынке.
Наименование и характеристики дезинфектанта |
Достоинства |
Недостатки |
|
Хлор Применяется в газообразном виде, требует соблюдения строжайших мер безопасности |
|
|
|
Гипохлорит натрия
Применяется в жидком виде (товарная концентрация растворов – 10-12%), возможно получение на месте применения электрохимическим способом
|
|
|
|
Диоксид хлора
Получают только на месте применения. В настоящее время считается самым эффективным дезинфектантом из хлорсодержащих реагентов для обработки воды при повышенных рН.
|
|
|
Одним из приоритетов данных изысканий были выявлены мембранные, а также другие нетрадиционные и комбинированные процессы обработки веществ и материалов. Было выяснено, что мембранные методы разделения жидких и газообразных сред заняли прочное место в арсенале мировых промышленных технологических процессов. Уже тогда, существовали области, где мембранная технология вообще не имела конкурентов. Значение мембранной технологии резко возросло прежде всего как технологии, способной навести мост через пропасть, разделяющую промышленность и экологию.
Результатом научного и производственного союза стало внедрение станции обеззараживания на основе мембранного электролизера на Пулковской насосной станции Пушкинского «Водоканала» Санкт-Петербурга. Электролизеры, установленные на данном предприятии, были по заданию Инженерного Центра разработаны на базе зарубежных аналогов щелочных мембранных электролизеров специалистами НПО «Синтез» (г. Москва) (главный конструктор Хейфец В.Л.). Документация на изготовление корпуса электролизера и электродных элементов была передана на «Завод химического оборудования «Заря» в Нижегородской области, на рабочих площадях которого были проведены работы по изготовлению опытной партии электролизеров. К сожалению, в течение последовавших в 90-ые годы экономических преобразований материально-техническая база данного предприятия была практически уничтожена, а предприятие как флагман отечественного химического машиностроения прекратило свое существование.
В результате этого, а также благодаря применению новых оригинальных технологических решений и материалов, в том числе использования сульфакатионитных мембран, позволили специалистам ООО «НПО «Эко-технология» значительно облегчить эксплуатацию станций обеззараживания на основе мембранных электролизеров и существенно снизить эксплуатационные затраты и себестоимость вырабатываемого дезинфектанта.
В 1996 году введена в эксплуатацию станция по получению концентрированного гипохлорита натрия в Выборгском районе Ленинградской области. В декабре 1998 года был проведен запуск станции обеззараживания МБЭ производительностью 180 кг по активному хлору в сутки на предприятии МУП «Водоканал» города Мончегорска Мурманской области. Данный объект по праву может считаться первым в мировой практике сооружением, использующим современную технологию мембранного электролиза в водопроводно-канализационном хозяйстве. С тех пор вот уже за 13-летнюю эксплуатацию сооружений не было зарегистрировано ни одного сбоя, повлекшего за собой прекращение хлорирования или создание аварийной ситуации. Напротив, удобство в эксплуатации, заключающееся, в том числе в простой регулировке рабочей дозы дезинфектанта, позволяет быстро и эффективно достигать необходимых параметров качества обеззараживаемой воды.
Следует отметить и отсутствие необходимости кислотной промывки электродных элементов электролизера, что повышает технологичность и обеспечивает безопасность процесса обеззараживания. Гарантийный срок службы электродных элементов электролизера до восстановления – 8 лет. Такой длительный установленный нашим предприятием гарантийный срок службы электродных элементов, а на практике достигающей уже 12-ти летней отметки, обусловлен и отказом в технологическом процессе изготовления биполярных электродных элементов, от технологии сварки взрывом для получения биполярных соединений на технологию предварительного напыления ГДС порошка (медь с добавками серебра и фосфора), полученного методом дезинтеграции и имеющих нано-фракцию 6-20 мкм, на поверхности титановой и стальной ванн.
Применение данной технологии сварки на практике при производстве электродов позволяет снизить напряжение на ячейке до 2.0 В, что и приводит не только к существенным прямым экономическим выгодам, но и позволяет обеспечивать высокий ресурс электродного элемента.
Рис.1 Станция обеззараживания воды типа МБЭ.
Основным элементом станции обеззараживания МБЭ (Рис.1,2) является узел электролиза, содержащий мембранный электролизер, и оборудованный эжектором, всасывающий патрубок которого присоединен к анодной камере. В качестве активной среды,
обеспечивающей работу эжектора, используется обрабатываемая вода или вода внутреннего водопровода, которая после смешивания с анолитом в эжекторе отводится в резервуары чистой воды или в контактные резервуары. Помимо узла электролиза в состав станции входит узел растворения и дозирования раствора поваренной соли, обеспечивающий непрерывную подачу раствора поваренной соли в электролизер с заданным расходом и концентрацией, а также силовой блок, состоящий из тиристорного преобразователя тока, панели управления и регулирования технологического процесса. Сырьем для получения дезинфицирующего агента является нетоксичная и невзрывоопасная поваренная соль. В процессе электролиза на катоде образуется водород и 10% раствор гидроксида натрия, на аноде – хлор. Выделяющийся хлор из электролизера вместе с потоком анолита выбрасывается в сепаратор, где хлор отделяется от анолита. Анолит возвращается в электролизер, а хлор сразу же после сепаратора направляется в эжектор, где поглощается водой с образованием хлорной воды. Работа эжектора обеспечивает наличие разряжения в сепараторе, что исключает утечки хлора при разгерметизации.
Побочным продуктом электролиза поваренной соли при получении в качестве дезинфектанта анолита является щелочь NaOH, которая может быть также использована в системе водоподготовки. Кроме того, получаемый раствор каустической соды может быть использован в хозяйственных целях.
Рис.2 Станция обеззараживания воды типа МБЭ.
Получаемый дезинфектант - анолит представляет собой сложное химическое соединение, содержащее помимо хлора диоксид хлора и различные перекиси. Присутствие в анолите диоксида хлора обеспечивает значительное снижение в обрабатываемой воде хлорорганических соединений.
Исследования действия получаемого по данной технологии дезинфектанта на санитарно-показательные микроорганизмы показали, что для обеспечения надежного обеззараживания воды за нормируемые 30 минут контакта необходимо применять дозу электрохимического хлора 0.6 мг/дм3, в то время как химического препарата потребовалось бы 0.82 мг/дм3, то есть в 1,4 раза больше. Следовательно, электрохимически полученный путем мембранного электролиза хлор обладает повышенной бактерицидной активностью. Такое действие объясняется присутствием в растворе дезинфектанта дополнительных бактерицидных веществ, иодометрически определяемых как активный хлор.
Результаты проведенных исследований и данные, полученные в ходе промышленной эксплуатации, позволяют сделать вывод о снижении дозы полученного электрохимическим путем хлора по сравнению с химическим хлором, что особенно важно в связи с возможностью уменьшения в процессе хлорирования воды негативных его последствий.
В установках типа МБЭ впервые решены вопросы рационального сочетания положительных свойств известных оксидантов – хлора, диоксида хлора и озона и устранены отрицательные моменты, присущие каждому из названных реагентов в отдельности, т.е., исключено образование побочных продуктов хлорирования и озонирования. Установки МБЭ являются альтернативным и безопасным в эксплуатации источником дезинфектанта и могут использоваться в качестве замены баллонов и контейнеров с жидким хлором на станциях очистки воды хозяйственно-питьевого водоснабжения любой производительности, на сооружениях очистки бытовых и промышленных сточных вод.
Безопасная эксплуатация установок МБЭ и отсутствие риска отравления обслуживающего персонала и окружающей среды неконтролируемым выбросом хлора гарантированы малым объемом газообразных оксидантов (менее 200 мл).
Соответственно, основными действующими антимикробными веществами в растворе оксидантов являются хлорноватистая кислота, которая образуется в процессе взаимодействия хлора с водой при его растворении, а также растворенный хлор и диоксид хлора. Эти вещества составляют более 98 % всех содержащихся в растворе оксидантов при их общей концентрации равной 1 г/л.
Характеристика раствора оксидантов, вырабатываемого установками МБЭ и раствора гипохлорита натрия производимого на месте потребления, показаны в таблице 2.
Таблица №2
Наименование и характеристики дезинфектанта |
Достоинства |
Недостатки |
|
Раствор оксидантов из установки МБЭ Электрохимический синтез из раствора хлорида натрия влажной газообразной смеси оксидантов – хлора, диоксида хлора, озона, гидропероксидных соединений |
|
требует наличия: напорной линии подачи воды на эжектирующие устройства |
|
Гипохлорит натрия Применяется в жидком виде (товарная концентрация растворов - 10 -12%) |
|
|
Раствор оксидантов, полученный в установках МБЭ, смешивают с дезинфицируемой водой в пропорции, обеспечивающей начальный заданный уровень содержания оксидантов в соответствии с технологией обработки воды свободным (газообразным или жидким) хлором. При этом гидропероксидные соединения, озон и диоксид хлора вступают в реакции взаимодействия с веществами, содержащимися в воде, и распадаются в течение первых 5 – 10 минут. Основным дезинфицирующим веществом в воде, обеспечивающим последействие раствора оксидантов, является хлорноватистая кислота (HClO), наличие которой гарантирует обеззараживание воды в полном соответствии с известными технологическими процессами применения жидкого или газообразного хлора. Наличие в растворе оксидантов озона и гидропероксидных соединений обеспечивает отсутствие побочных продуктов хлорирования и озонирования, что подтверждено целым рядом экспериментальных исследований в процессе практической эксплуатации установок МБЭ на станциях водоподготовки питьевой воды, а также на станциях очистки сточных вод.
В настоящее время в России и за рубежом для получения дезинфицирующих растворов – гипохлорита натрия с концентрацией активного хлора 5 г/л используются в основном электролизеры без разделения катодного и анодного пространства. По сравнению с гипохлоритными электролизерами без разделения катодного и анодного пространства в мембранном электролизере не происходит обрастание катодов солями жесткости, поэтому не требуется периодическая промывка электродов соляной кислотой. То есть схема обвязки значительно проще и надежнее.
Рис. 3. Станция обеззараживания воды контейнерного исполнения.
Рис. 4. Мобильная передвижная Станция обеззараживания воды контейнерного исполнения.
В таблице №3 приведен сравнительный анализ существующих дезинфектантов.
Таблица №3
Характеристики |
Жидкий хлор |
Гипохлорит |
Анолит из установок МБЭ |
|
Активное вещество |
Хлор |
Хлор |
Смесь активных веществ: Cl, ClO2, O3, перекиси (электрохимический хлор) |
|
Минимальное количество вещества для нормированного обеззараживания воды (30 мин.), мг/дм3 |
0,82 |
0,82 |
0,6 (причина – наличие ClO2, перекиси) |
|
Расход NaCl для получения 1 кг Cl, кг |
- |
4 - 6 |
Не более 3.5 |
|
Расход электроэнергии для получения 1 кг Cl, кВт/ч |
- |
4,5 |
Не более 3,5 |
|
Безопасность |
Очень опасен |
Опасен при смешивании с кислотой |
Безопасен, вследствие слабой концентрации раствора и малых количеств вырабатываемых одномоментно |
|
Стоимость, руб/кг |
12 – 15 на производстве 70-200 с учетом доставки и хранения |
38 – 45 |
28 - 30 |
В настоящее время нашей компанией разработаны мобильные передвижные Станции обеззараживания воды контейнерного типа на базе мембранных электролизных Станций МБЭ, которые представляют собой комплекс оборудования (рис. 3, 4), полностью стационарно смонтированного в контейнере, предназначенного для установки либо на готовый фундамент, либо на платформу автотранспорта (5, 6). Для монтажа Станция обеззараживания производительность до 40 кг по активному хлору в сутки с учётом резервного оборудования достаточно стандартного пятитонного контейнера.
Несколько слов об экономическом факторе применения технологии мембранного электролиза для обеззараживания воды. Так, прямыми затратами для получения дезинфектанта являются затраты на соль поваренную и электрическую энергию. Следует отметить, что запасы поваренной соли в мире, да и у нас в стране безграничны, а ее приобретение и поставка не представляют каких-либо проблем. При этом общая себестоимость на производство дезинфектанта в пересчете на 1 кг активного хлора с учетом проведения восстановительных мероприятий не превышает 30 рублей, что для многих регионов нашей страны с учетом необходимости обеспечения связанных с безопасностью производства мероприятий, ниже себестоимости, получаемой при использовании привозного жидкого контейнерного хлора.
В настоящее время нашей компанией в промышленную эксплуатацию введены более 80 объектов на территории Российской Федерации, Белоруссии, ЮАР. За последнее время приняты и сданы в эксплуатацию значимые объекты в Оренбурге, Красноярске, Ухте (Республика Коми), Краснокаменске (Читинская обл.), Всеволожске (Ленинградская обл.), Благовещенске Амурской области, Белгороде, Удачном (Республика Саха) и других городах. Завершаются монтажные работы на очистных сооружениях Кинешмы Ивановской области, Южно-Сахалинска. Готовится оборудование еще для ряда крупных городов страны.
Важнейшим условием успешного развития производства сегодня является производство конкурентоспособной продукции. Основой конкурентоспособности является качество. Опросы потребителей показывают, что среди всех показателей конкурентоспособности (цена, сроки поставки, сервис и др.) качество на 70 % определяет решение о выборе продукции. Процесс глобализации в экономике обостряет конкуренцию, так как расширение рынка позволяет покупателю выбирать товары практически всех мировых производителей.
Нашим предприятием уделяется большое внимание качеству поставляемого оборудования и используемых для создания оборудования материалов. На предприятии внедрена Система менеджмента качества производимого оборудования, которая сертифицирована Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии. Сотрудники предприятия постоянно повышают свою квалификацию, проходят аттестацию в Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору Северо-Западного управления Ростехнадзора, имеют аттестационные удостоверения.
Все выпускаемое оборудование и Станции обеззараживания в целом имеют необходимые Сертификаты и Разрешения.
В соответствии с ПБ 09-594-03 все вновь проектируемые и реконструируемые производства хлора должны оснащаться мембранными или диафрагменными электролизерами, исключающими использование ртути.
Технология получения хлора должна исключать возможность образования взрывоопасных хлороводородных смесей в технологическом оборудовании и коммуникациях при регламентных режимах работы.
В мембранном электролизере ионообменная мембрана является полностью непроницаемой для газа, что исключает смешение выделяющихся при электролизе водорода и хлора и предотвращает образование взрывоопасной смеси внутри электролизера, что нельзя сказать о всех известных конструкциях электролизеров по выработке гипохлорита натрия.
Из всего выше изложенного, можно сделать вывод, что преимущества раствора электрохимически активированной смеси оксидантов, получаемого на мембранном электролизере МБЭ, перед гипохлоритом натрия, хлором, диоксидом хлора, хлорамином, озоном, ультрафиолетом многократно доказаны исследованиями, научными отчетами и многолетним опытом применения.
Раствор электрохимически активированной смеси оксидантов идеально сочетает в себе следующие качества:
1. Раствор смеси оксидантов обладает высокой антимикробной активностью в отношении всех патогенных микроорганизмов, включая споры.
2. Раствор смеси оксидантов эффективен при пониженных относительно существующих норм концентрациях в обрабатываемой воде и обладает остаточным последействием, поэтому местным органам и учреждениям Государственной санитарно-эпидемиологической службы рекомендуется производить уточнение необходимой для обеззараживания воды суммарной концентрации оксидантов в обрабатываемой воде в сторону ее снижения в сравнении с существующими нормативами.
3. Раствор смеси оксидантов не образует побочных продуктов хлорирования, таких как тригалометаны, что подтверждено результатами научных исследований.
4. Раствор смеси оксидантов разрушает фенолы – источник неприятного вкуса и запаха.
5. Раствор смеси оксидантов способствует удалению из воды железа и магния путем их быстрого окисления и осаждения оксидов.
6. Раствор смеси оксидантов не образует броматов и броморганических побочных продуктов в присутствии бромидов.
7. Раствор смеси оксидантов способствует удалению мутности из воды.
8. Раствор смеси оксидантов способствует удалению посторонних привкусов и запахов из обрабатываемой воды.
9. Применение раствора смеси оксидантов обеспечивает абсолютную безвредность для организма человека, животных и т.д.
10. Раствор смеси оксидантов не накапливается в окружающей среде.
11. Максимальная степень конверсии соли из исходного раствора составляет от 98 до 99,5 %.
12. Раствор смеси оксидантов эффективно удаляет биопленки с поверхности водоводов, что исключает необходимость аммонизации.
13. Использование раствора смеси оксидантов уменьшает скорость коррозии водоводов.
14. Малая по сравнению с другими обеззараживающими средствами стоимость раствора смеси оксидантов - показатель экономичности и быстрой окупаемости.
15. Раствор смеси оксидантов может эффективно применяться не только на станциях водоподготовки питьевой воды, в плавательных бассейнах, на станциях очистки сточных вод, но и успешно применяется в технологических процессах в пищевой промышленности, превосходя по эффективности используемые до этого реагенты.
Опросный лист МБЭ
Опросный лист МБЭ
0.1МБ