Система безотходной утилизации сточных вод

Изобретение относится к области обработки бытовых сточных вод, а именно к системе безотходной утилизации (использования) сточных вод с применением их деминерализации и последующей подачи на впрыск в газотурбинные установки газоперекачивающих агрегатов (далее - ГТУ ГПА) с целью охлаждения турбин.

Из уровня техники известно множество технологий для обработки и утилизации сточных вод с применением их деминерализации (обессоливания) (см. например, заявку РФ 94028714, 01.08.1994, патент США 4347704, 08.09.1982).

Известна система утилизации сточных вод полигонов твердых бытовых отходов, имеющая блок электрохимической очистки, блок механической фильтрации и обратноосмотического разделения, блок испарения воды для ее обессоливания (деминерализации) и блок кристаллизации солей (см. патент РФ 2207987, 10.07.2003, наиболее близкий аналог).

Недостатком известных систем является то, что очищенные стоки после деминерализации сливают в почву или в водные объекты, что приводит к загрязнению окружающей среды.

Задачей заявленного изобретения является создание системы утилизации сточных вод, реализующей безопасную и безотходную технологию использования воды.

Техническим результатом изобретения является минимизация загрязнения окружающей среды вследствие отсутствия отходов утилизации, повышение степени очистки сточных вод, снижение энергетических затрат на утилизацию, увеличение КПД и мощности ГТУ ГПА и снижение удельного расхода топливного газа.

Указанный технический результат достигается в заявленной системе за счет того, что система безотходной утилизации сточных вод, содержит: блок биологической или биохимической очистки сточных вод, имеющий выход для очищенного стока и выход для осадка, блок компостирования осадка, связанный с выходом осадка, испарительный блок для деминерализации очищенного стока, связанный с выходом очищенного стока и имеющий выход для подачи деминерализованной воды и выход для продувочных вод, осадительно-кристаллизационный блок, связанный с выходом для продувочных вод, при этом выход для подачи деминерализованной воды испарительного блока выполнен с возможностью связи с устройством охлаждения газотурбинной установки, установленным с возможностью впрыска деминерализованной воды в тракт газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата (ГТУ ГПА).

Кроме того, указанный технический результат достигается в частных случаях реализации изобретения за счет того, что:

- блок биологической или биохимической очистки сточных вод включает фильтрующее самоочищающееся устройство, резервуар-усреднитель, смеситель для реагентной обработки, отстойник, биологический реактор с прикрепленной микрофлорой, аэрационный смеситель, ершовый фильтр, дозирующие и насосные станции, устройство дисковой фильтрации и обеззараживания, контрольно-измерительные устройства и устройства автоматизации технологических процессов,

- блок компостирования осадка включает устройство обезвоживания осадка в виде шнекового дегидратора, или фильтр-пресса, или центрифуги и площадку для компостирования,

- испарительный блок содержит низкотемпературные многосекционные испарители, имеющие секции испарения и секции конденсации воды,

- испарительный блок содержит устройство предварительного подогрева воды, при этом система дополнительно включает утилизационные теплообменники, установленные в выхлопном тракте ГТУ ГПА и связанные с устройством предварительного подогрева с возможностью подачи в него вторичной тепловой энергии, - испарительный блок включает линию для подачи нагретой циркуляционной воды потребителям тепловой энергии и линию возврата охлажденной циркуляционной воды,

- осадительно-кристаллизационный блок содержит узел приготовления известкового молока, отстойник-осадитель со шламоотводчиком и перегородками гасителями потока, коллектор сбора осветленной воды, бак-отстойник, выпарную установку, включающую расширитель, кристаллизатор, циркуляционный насос и подогреватель, а также два попеременно работающих соленакопителя,

- осадительно-кристаллизационный блок выполнен с возможностью осаждения гипса, мела, гидроксида магния и кристаллизации хлорида натрия и хлорида калия и других солей, направляемых на полезное использование.

В отличие от аналогов в заявленной системе выход деминерализованной воды испарительного блока соединен с устройством охлаждения ГТУ, посредством которой деминерализованная вода впрыскивается в тракт ГТУ для ее охлаждения и испаряется в атмосферу в виде пара, при этом также предусмотрен блок компостирования, в котором отработанный активный ил после блока биологической или биохимической очистки перерабатывается в кормовой продукт или удобрение.

Заявленное изобретение поясняется фиг. 1, на которой показана схема утилизации сточных вод с использованием заявленной системы.

Конструктивные элементы на схеме обозначены следующими позициями:

1 - насосная станция,

2 - очистные сооружения водоподготовки,

3 - потребители воды,

4 - блок биологической или биохимической очистки сточных вод,

5 - блок компостирования,

6 - термический комплекс деминерализации воды,

7 - испарительный блок термокомплекса,

8 - осадительно-кристаллизационный блок термокомплекса,

9 - потребители вторичной тепловой энергии,

10 - ГТУ ГПА.

Технологические потоки обозначены следующими позициями:

11 - исходная природная вода из водоисточника,

12 - вода на водопользование,

13 - сточные воды,

14 - очищенный сток,

15 - деминерализованная вода на впрыск в ГТУ,

16 - водяной пар в атмосферу,

17 - вода из атмосферы с осадками (дождь, снег, туман, град),

18 - подогретая циркуляционная вода для использования потребителями,

19 - захолаживающая циркуляционная вода, в том числе полезно используемая для производства деминерализованной воды,

20 - осадок биологической или биохимической очистки на компостирование,

21 - продувочная вода испарительного блока,

22 - осадок термокомплекса в виде соединений: гипс, мел, гидроксид магния для использования в изготовлении стройматериалов,

23 - осадок термокомплекса в виде кристаллизованных солей NaCl, KCl и других для использования при обработке дорог (например, в зимнее время),

24 - вторичная тепловая энергия тепла уходящих газов ГТУ ГПА,

25 - подведенная извне тепловая энергия, используемая при недостатке потока тепловой энергии 24.

Заявленная система включает блок (4) биологической или биохимической очистки сточных вод, поступающих от потребителей (3), блок (5) компостирования осадка, полученного при биологической или биохимической очистке, термический комплекс (6) для деминерализации, который имеет испарительный блок (7) для деминерализации очищенного стока и осадительно-кристаллизационный блок (8) для сбора осадка из продувочных вод испарительного блока (7), а также устройство охлаждения ГТУ (10) для впрыска деминерализованной воды в турбину ГТУ (10).

Блок (4) биологической или биохимической очистки представляет собой комплекс канализационных сооружений и может включать без ограничений фильтрующее самоочищающееся устройство, резервуар-усреднитель, смеситель для реагентной обработки, отстойник, биологический реактор с прикрепленной микрофлорой, аэрационный смеситель, ершовый фильтр, дозирующие и насосные станции, устройство дисковой фильтрации и обеззараживания, контрольно-измерительные устройства и устройства автоматизации технологических процессов. Блок (4) биологической или биохимической очистки имеет вход для подачи сточной воды (13) от потребителей и также может дополнительно иметь вход для очищенной воды (12) из природного источника, прошедшей очистные сооружения (2) (очистные сооружения могут входить или не входить в состав заявленной системы). Кроме того, блок имеет выход для отработанного осадка (ила) (20) и очищенного стока (14).

Блок компостирования (5) соединен с выходом осадка (20) блока (4) и может содержать устройства обезвоживания осадка (шнековый дегидратор, или фильтр-пресс, или центрифугу) и площадку для компостирования, на которой осуществляется процесс переработки осадка.

Испарительный блок (7) термического комплекса (6) соединен с выходом очищенного стока (14) блока (4). Испарительный блок может включать устройство подогрева воды, использующее вторичную энергию уходящих выхлопных газов ГТУ (10), а также ряд отдельно стоящих низкотемпературных многосекционных испарителей, имеющих секции испарения и секции конденсации воды. Кроме того, испарительный блок (7) может дополнительно включать линию подачи подогретой циркуляционной воды (18) потребителям (9) тепловой энергии (теплосети, устройства горячего водоснабжения, устройства снеготаяния и т.д.) и линию возврата в блок (7) захолаживающей циркуляционной воды (19). Испарительный блок имеет выход для продувочной воды (21) и выход для деминерализованной воды (15).

Осадительно-кристаллизационный блок (8) термического комплекса (6) предназначен для выделения из продувочной воды (21) блока (7) осадков в виде осадков гипса, мела и гидроксида магния и солей (22) (хлориды натрия и калия). Осадительно-кристаллизационный блок (8) может включать узел приготовления известкового молока, отстойник-осадитель со шламоотводчиком в нижней части, с перегородками гасителями потока, и коллектор сбора осветленной воды в верхней части, бак-отстойник, а также выпарную установку, состоящую из расширителя, кристаллизатора, циркуляционного насоса и подогревателя, а также два попеременно работающих соленакопителя. Расширитель и кристаллизатор представляют собой цилиндрические сосуды с коническим днищем.

Дополнительно в состав термического комплекса могут входить насосные станции, установки дозирования реагентов, контрольно-измерительные приборы и устройства автоматизации технологических процессов.

Устройство охлаждения ГТУ (10) предназначено для подачи деминерализованной воды (15) из испарительного блока (7) в тракт газовой турбины ГТУ ГПА (10) для ее охлаждения. Устройство может представлять собой средство впрыска деминерализованной воды (15).

Заявленная система может также дополнительно включать утилизационные теплообменники (на чертежах не показаны), установленные в выхлопном тракте ГТУ и выполняющие роль головного подогревателя. При этом указанные теплообменники связаны с испарительным блоком (7) с возможностью подачи вторичной тепловой энергии (24) в указанный блок (7) для нагрева воды с целью деминерализации.

Процесс безотходного водопользования с применением заявленной системы осуществляется следующим образом.

Поток исходной воды (11) из природного водоисточника (подземного или поверхностного) поступает от насосной станции (1) на очистные сооружения водоподготовки (2), откуда направляется на водопользование (12) к потребителям (3), в результате чего образуется поток сточных вод (13).

Сточные воды (13) направляются на очистные сооружения канализации в блок биологической или биохимической очистки (4). При необходимости часть потока сточных вод (13) может возвращаться в очистные сооружения водоподготовки (2). Кроме того, в блок (4) может подаваться часть потока на водопользование (12) от очистных сооружений (2). После прохождения полного цикла биологической или биохимической очистки очищенный сток (14) направляется в испарительный блок (7) термокомплекса (6), а осадок (20) - в блок (5) компостирования. В блоке компостирования осадок (отработанный активный ил) высушивается (при необходимости), смешивается с наполнителями (твердыми бытовыми отходами, торфом, опилками, листвой, соломой, молотой корой или готовым компостом) и выдерживается для переработки. Полученный компостированный осадок в дальнейшем используют как кормовой продукт для рыб в рыбхозах или в качестве удобрения в сельском хозяйстве или при озеленении в городском коммунальном хозяйстве.

В испарительном блоке (7) осуществляют испарение воды очищенного стока (14) с последующей конденсацией деминерализованной воды (15).

Для эффективной работы испарительного блока (7) используется захолаживающая циркуляционная вода, в качестве которой может применяться исходная вода (11), очищенный сток и поток полезно использованной потребителями вторичной тепловой энергии подогретой циркуляционной воды. Для этого осуществляют циркуляцию нагретой воды через испарительный блок (7), при которой подогретая циркуляционная вода (18) подается потребителям (9) тепловой энергии, а охлажденная циркуляционная вода (19) возвращается на испарительный блок (7), где вновь производит полезную работу, попутно подогреваясь. При этом в испарительный блок может дополнительно подаваться часть потока исходной воды (11), минуя станцию водоочистки. В зависимости от технологических потребностей может применяться как подпитывающая вода контура циркуляционной воды (линии 18 и 19), так и в качестве исходной воды (11) для процесса деминерализации в случае недостаточности объема очищенных стоков (14). Для работы испарительного блока может использоваться тепловая энергия (24) тепла уходящих газов ГТУ (10) и/или тепловая энергия (25) подаваемая извне.

Продувочные воды (21) испарительного блока направляют в осадительно-кристаллизационный блок (8), где происходят процессы осаждения продуктов (22) в виде гипса, мела, гидроксида магния, которые могут быть использованы для производства строительных материалов или в дорожном строительстве, а также кристаллизации солей (23) (NaCl, KCl и других), которые могут использоваться для приготовления реагентов для обработки дорог в зимнее время.

При осаждении в нижнюю часть отстойника осуществляют тангенциальный подвод продувочной воды и вслед за вводом воды производится дозирование известкового молока. Тангенциальный ввод воды обеспечивает интенсивное смешение раствора и способствует ускорению реакций кристаллизации и осаждения солей кальция и магния. За счет перехода конической части в цилиндрическую, а также наличия успокоителей потока поток успокаивается, кристаллизованный шлам опускается вниз, а осветляющаяся вода постепенно поднимается вверх и по коллектору вновь возвращается цикл испарителя. В то же время шлам, содержащий соли кальция и магния опускается вниз и дренируется в бак-отстойник, где завершается его осаждение, удаляется дополнительно осветленная вода, а шлам отбирается на полезное использование.

Вода из зоны концентрата испарителей подается через подогреватель на расширитель, где происходит вскипание, и откуда пар вновь отводится в испаритель, а предварительно концентрированная вода поступает в кристаллизатор, в котором за счет выбора режима эксплуатации происходит поддержание раствора солей в зоне пресыщения раствора, за счет чего, в частности, оборудование защищено от обрастания солями, а их осаждение происходит при размерах кристаллов не менее 1 мм. Из кристаллизатора пульпа солей поступает в соленакопители, работающие попеременно, в которых происходит остаточное оседание солей, слабоконцентрированный раствор вновь отводится в цикл кристаллизации, а влажные осажденные кристаллизованные соли периодически отбираются из соленакопителей для их полезного использования.

Процесс концентрирования и упаривания солей натрия, калия и других солей, содержащихся в исходной воде и, соответственно, в продувочной воде испарителей термокомплекса, происходит также непрерывно, как и процесс осаждения шламов.

Деминерализованная вода (15) поступает в устройство охлаждения ГТУ ГПА (10), которое осуществляет впрыск воды в тракт турбины, что приводит ее работу к нормальным условиям эксплуатации, вследствие чего повышается КПД и располагаемая мощность, при этом снижается удельный расход природного газа, снижаются выбросы NOx и снижается тепловое загрязнение атмосферы. Впрысковая деминерализованная вода (15) испаряется и уходит в атмосферу в виде водяного пара (16) с уходящими газами и затем вследствие природных процессов конденсации в виде осадков (дождя, снега, тумана, града) возвращается в водоисточник для ее последующего полезного использования.

Таким образом, заявленная система обеспечивает безотходную и бессточную утилизацию сточных вод, а также повышение КПД и мощности ГТУ ГПА.