Гипохлорирование как инновационный способ обеззараживания питьевой воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГИПОХЛОРИРОВАНИЕ, КАК ИННОВАЦИОННЫЙ СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

натрий гипохлорид электролиз

Айнутдинов Д.О., Ихсанов Т.Р., Солопова В.А., кандидат технических наук, доцент

Федеральное Государственное Бюджетное

Образовательное Учреждение Высшего Образования

«Оренбургский Государственный Университет»

Гипохлорит натрия (NaCLO) - альтернатива жидкому хлору

Хлорирование продолжает оставаться самым распространенным способом обработки воды в мире, поскольку хлор является дезинфектантом пролонгированного действия, присутствие которого в воде исключает возможность ее повторного заражения.

Применение жидкого хлора требует неукоснительного соблюдения "Правил по производству, транспортированию, хранению и потреблению хлора" (ПБ 09-594-03), в связи с чем затраты на обеспечение мер безопасности при использовании жидкого хлора многократно превышают затраты на само хлорирование. Затраты же на ликвидацию последствий возможной разгерметизации многотонных запасов жидкого хлора вообще не предсказуемы.

Тем не менее, альтернатива жидкому хлору есть - это технический раствор гипохлорит натрия (ГПХН) с концентрацией по активному хлору 190 г/дм3, который является наиболее предпочтительным реагентом на стадии предварительного окисления и последующего обеззараживания воды.

Принятые технические решения позволяют реконструировать хлораторную без дополнительного строительства. Изменяется обеззараживающий хлорный реагент на первичном, вторичном дозировании; заменяется устаревшее оборудование, устанавливается новое для обеспечения безопасной работы сооружений.

Основанием для внедрения реагента гипохлорита натрия служит ряд технологических преимуществ по сравнению с традиционной обработкой воды жидким хлором:

- реагент ГПХН применяется в виде водного раствора и безопасен в обращении;

- при хранении и использовании гипохлорита натрия практически отсутствует выделение газообразного хлора;

- производительность системы дозирования гипохлорита натрия может регулироваться в автоматическом режиме как по сигналу расходомера (пропорциональное дозирование без обратной связи), так и по сигналу прибора, контролирующего остаточное содержание реагента после его введения (дозирование с обратной связью);

- для внедрения технологии хлорирования воды ГПХН используются существующие помещения, что значительно упрощает переход сооружений на новую технологию;

- товарный гипохлорит натрия содержит относительно невысокие концентрации активного хлора (не более 15% по массе), поэтому оборудование для его нейтрализации значительно сокращается как по размеру, так и по сложности;

- товарный раствор гипохлорита натрия содержит в своём составе свободную щелочь (от 40 до 60 г/дм3), что значительно улучшает условия обработки воды при использовании коагулянтов, содержащих свободную кислоту, и сокращает затраты на подщелачивание обрабатываемой воды;

- раствор гипохлорита натрия менее опасен, к нему предъявляются более мягкие требования при транспортировке;

- товарный раствор гипохлорита натрия может перевозиться всеми видами транспорта.

Применение вместо хлора раствора гипохлорита натрия практически не вносит изменения в отработанную технологию с точки зрения обеспечения качества получаемой воды. Вместе с тем, появление возможности размещения складов обеззараживающего реагента (ГПХН) непосредственно вплотную к блокам очистки и узлам обеззараживания воды, а не на отдельной площадке, несомненно повышает оперативность управления технологическим процессом, а также практически исключает риск масштабных аварийных ситуаций, которые имеют место при использовании свободного хлора.

Проектные решения предусматривают полную автоматизацию технологических процессов хлорирования исходной воды ГПХН. Все операции по дозированию реагента осуществляются в автоматическом режиме с учетом фактических результатов контроля расхода и качества воды. Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) обеспечивает постоянный контроль параметров процесса и управление технологическими режимами для поддержания фактических показателей в регламентных значениях.

В проектной документации предусмотрен достаточный комплекс мер для предотвращения аварийной разгерметизации оборудования и локализации выбросов вредных веществ, защиты эксплуатационного персонала.

Принятые технические решения соответствуют требованиям норм и правил в области промышленной безопасности.

Гипохлорит натрия, преимущества использования его как альтернативного хлору реагента при обработке воды.

Гипохлорит натрия марки А (ГПХН), ГОСТ 11086-76; ТУ 6-01-29-93 - NaOCL относится к реагентам-дезинфектантам и применяется для окисления и обеззараживания воды. Плотность раствора при 20°С - 1,27 г/см3. Слабощелочной раствор довольно устойчив.

Дезинфицирующее действие ГПХН основано на том, что при растворении в воде он точно так же, как хлор образует хлорноватистую кислоту, которая оказывает непосредственное окисляющее и дезинфицирующее действие.

При введении гипохлорита натрия в воду образуются хлорноватистая и соляная кислоты по реакции:

NaCLO+H2O=HCLO+NaOH;

HCLO=CLO-+H+.

Реакция является равновесной, и образование хлорноватистой кислоты зависит от величины рН и температуры воды.

Гипохлорит натрия обеспечивает эффективную дезинфекцию против всех известных патогенных (болезнетворных) бактерий, вирусов, грибковых инфекций и простейших. Гипохлорит натрия не горюч и не взрывоопасен. Гипохлорит натрия - более активный, чем хлор, малотоксичный, безопасный в эксплуатации и более простой в применении. Поставка реагента в виде технического гипохлорита не представляет серьёзной опасности для окружающих территорий. Вследствие того, что гипохлорит натрия поставляется и применяется в жидком виде, хранить и утилизировать его в случае утечки гораздо проще, чем газообразный хлор.

Содержание хлора в растворе ГПХН обычно выражается в процентах веса раствора, например, 1 литр технического гипохлорита весом 1,14 кг содержит 15% или 0,159 кг хлора.

Гипохлорит натрия в контакте с органическими горючими веществами (опилки, ветошь и др.) в процессе высыхания может вызвать их самовозгорание. При попадании на окрашенные предметы гипохлорит натрия всех марок может вызвать их обесцвечивание.

При нагревании выше 35°С гипохлорит натрия разлагается с образованием хлоратов и выделением хлора и кислорода. ПДК хлора в воздухе рабочей зоны 1 мг/м3; в воздухе населённых мест допустимая максимальная разовая концентрация 0,1 мг/м3, среднесуточная - 0,03 мг/м3.

Гипохлорит натрия хранят в специальных полиэтиленовых, гуммированных или покрытых коррозийно-стойкими материалами емкостях, защищённых от солнечного света, в закрытых складских неотапливаемых или мало отапливаемых помещениях.

Помещения для хранения и применения гипохлорита натрия должны быть оборудованы принудительной и приточно-вытяжной вентиляцией. Емкостное оборудование должно быть герметичным.

Индивидуальная защита персонала должна осуществляться с применением специальной одежды и индивидуальных средств защиты: противогазов, перчаток, защитных очков, резиновых сапог, фартуков из прорезиненной ткани.

Не допускается хранить товарный раствор гипохлорита натрия с органическими продуктами, горючими материалами и кислотами.

Раствор гипохлорита натрия поставляется в специальных полиэтиленовых емкостях с верхним сливом вместимостью 50, 200-1000 дм3. Транспортируется железной дорогой или автотранспортом.

Установка ЭПМ

Установка изготовлена по ТУ 3614-003-82221328-2011.

Установка ЭПМ-30,0 предназначена для получения и дозирования низко концентрированного электролитического гипохлорита натрия (ГПХН) марки Э по ТУ 6-01-29-93, применяемого в лечебно-профилактических учреждениях, дезинфекционных станциях, малых водозаборах, бассейнах и очистных сооружениях для обеззараживания питьевой воды и сточных вод в соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1074-01.

Вид климатического исполнения установки УХЛ, категория размещения 4.2 по ГОСТ 15150-69 при эксплуатации в следующих климатических условиях:

- Температура окружающего воздуха от 0 до + 30 0 С.

- Температура рабочей среды (раствора соли) до + 25 0 С.

- Влажность воздуха не более 98% при температуре +40 0 С.

- Атмосферное давление не ниже 100кПа (720 мм рт.ст.).

Гипохлорит натрия с массовой концентрацией активного хлора (а.х.) до 8,0 г/дм3 вырабатывается методом электролиза водного раствора поваренной соли и относится к малоопасным веществам (IV класс опасности по ГОСТ 12.1.007.-76).

Конструкция установки выполнена в соответствии с действующими нормативами, правилами и указаниями по проектированию и строительству объектов водоснабжения с использованием существующих стандартов на материалы и изделия.

Установка представляет собой комплект оборудования, установленного на раме, готового к работе и обеспечивающего получение и дозирование ГПХН.

Состав и назначение

В составе электролизной две одинаковых установки. Каждая установка включает в себя:

- электролизер проточный (ЭП);

- пульт управления (ПУ) с выпрямителем (В);

- резервуар буферный гипохлорита (РБ);

- насос-дозатор раствора соли (НД-соли);

- насос-дозатор гипохлорита натрия первичного хлорирования (НД1-ГПХН);

- насос-дозатор гипохлорита натрия вторичного хлорирования (НД2-ГПХН);

- электромагнитный клапан (ЭМК);

- ротаметр (Р);

- стабилизатор потока воды (на ротаметре);

- теплообменник;

- вентилятор напорный;

- системы трубопроводов с трубопроводной арматурой;

- рама.

Общим узлом для всех двух установок является узел для приготовления насыщенного раствора соли.

Из резервуаров раствора соли (РРС) насыщенный раствор соли концентрацией 280…310 г/л соли насосами дозаторами подается в смеситель ЭПМ. Примерное соотношение насыщенного раствора соли и воды 1:10.

Концентрация рабочего раствора на выходе электролизера третьей ступени составляет 20-25г/л. Количество подаваемой воды определяется по ротаметру, а насыщенного раствора соли - по нониусу НД соли. Рабочий раствор по трубопроводу поступает в ЭПМ.

В ЭПМ нарабатывается ГПХН, который самотеком поступает в буферный резервуар (РБ).

Из РБ гипохлорит через НД ГПХН по напорному трубопроводу подается на обеззараживание.

Работа НД ГПХН - постоянная.

Работа электролизной осуществляется в двух режимах:

1) рабочий - в котором происходит накопление ГПХН до верхнего уровня в РБ;

2) дежурный - в котором происходит опорожнение РБ до нижнего рабочего уровня.

Контроль уровней осуществляется Блоком Управления (БУ) типа САУ-7.

Переход из дежурного режима в рабочий режим происходит автоматически по сигналу датчика уровня при достижении нижнего рабочего уровня в РБ. При этом включается выпрямитель и насос ГПХН, открывается ЭМК.

Продолжительность дежурного режима зависит от расхода НД ГПХН. Возможен ручной вариант управления режимами электролизной с блока САУ-7. Максимальный расход НД ГПХН не может быть больше вырабатываемого суммарного расхода через электролизер ЭП, т.е. в рабочем режиме уровень ГПХН в РБ должен увеличиваться.

В процессе электролиза образуются нерастворимые соли жесткости, которые откладываются на катодах пакета электродов, выпадают в качестве осадка в трубе ЭПМ, откладываются на стенках оборудования.

Для обеспечения нормальных условий эксплуатации производится регламентная промывка оборудования.

Предусмотрены два типа промывки:

- подачей воды (в ЭП, в РБ);

- 3-5% -ым раствором соляной кислоты (пакет электродов, труба ЭПМ, РБ, насос перекачки ГПХН). Кислотная промывка осуществляется по замкнутому контуру станцией кислотной промывки и в ручную.

Основные технические характеристики

Наработка ГПХН осуществляется электролизом минерализованной воды в установке ЭПМ-30.

В составе электролизной установки одна рабочая ЭПМ, вторая - резервная.

В качестве минерализованной воды используется водный раствор поваренной соли (рабочий раствор РР).

Номинальный расход рабочего раствора ЭПМ - 2х150 л/ч.

Номинальная концентрация солей рабочего раствора - 25 г/л.

Номинальная производительность ЭПМ по активному хлору (а.х.), 30кг/сутки.

Номинальный ток - 310А.

Номинальное напряжение - 20 В.

Максимальная температура ГПХН - 40 град.

Номинальный расход соли - 4кг/1кг. а.х.

Обслуживание оборудования, входящего в состав электролизной, должно выполняться в соответствии с требованиями паспортов и эксплуатационной документации на оборудование. 1.3.6.3 Устройство и принцип работы.

Электролизер проточный, типа ЭП-30,0 выпускается по ТУ 3614-001-82221328-2008.

Резервуар гипохлорита изготовлен из пищевого полиэтилена и оборудован системами слива, перелива, датчиками уровней.

Умягчитель непрерывного действия (отдельностоящий) с загрузкой из катионообменной смолы используется для снижения содержания в воде солей жесткости (соединений кальция и магния) и предотвращения образования известковых отложений.

Резервуар раствора соли (РРС) выполнен из пищевого полиэтилена. РРС оборудован системой слива, фильтрами для забора насыщенного раствора соли и поплавковым клапаном поддержания постоянного уровня.

Ротаметры обеспечивает контроль расхода воды в диапазоне 1,5 - 5,5 л/м.

Электромагнитный клапан коммутирует поток воды расходом до 500 л/ч.

Трубопроводы и трубопроводная арматура. Трубопроводы систем слива, перелива, подачи воды на разбавление насыщенного раствора соли и заполнение РРС и резервуаров подкачки выполнены из пищевого полиэтилена (диаметр 20 и 32 мм) или полипропилена. Трубопроводы подачи раствора ГПХН выполнены из полипропилена или ПВХ. Трубопроводная арматура на системе подачи воды - латунная, остальная - ПВХ.

Установка оборудована вентилятором канальным, нагнетающим воздух в РБ. Расход воздуха подаваемого в РБ не менее 250 м3/ч при остаточном напоре на выходе из РБ 12 мм вод. ст. Объем подаваемого воздуха обеспечивает разбавление выделяющегося водорода до содержания менее 1% объемного.

Процесс приготовления гипохлорита происходит в автоматическом режиме:

1) Включение и отключение выпрямителя, насоса-дозатора насыщенного раствора соли, электромагнитного клапана на трубопроводе подачи воды на электролиз происходит по сигналам датчиков уровней в резервуаре гипохлорита (верхний и нижний рабочие уровни).

2) В аварийном режиме совместно с подачей сигнала “Авария” предусмотрено отключение выпрямителя, насосов-дозаторов и электромагнитного клапана на трубопроводе подачи воды на электролиз. Сигнал “Авария” включается при аварийном минимальном уровне в резервуаре гипохлорита, при отсутствии воздушного потока в воздуховоде, при отсутствии потока воды, при срабатывании тепловой защиты насоса-дозатора ГПХН и при срабатывании автомата защиты сети в пульте управления.

Вода (температурой не более +20 є) поступает в установку через фильтр предварительной очистки и умягчитель, который поглощает растворимые примеси (соединения кальция, магния, железа, марганца и других металлов) и заполняет резервуар раствора соли.

Забор и расход насыщенного раствора поваренной соли с концентрацией 280-350 г/дмі производится и регулируется насосом-дозатором НД-соли.

Рабочий раствор поваренной соли (концентрацией 20-25 г/дмі) приготавливается в смесителе, в который подается водопроводная вода и насыщенный раствор поваренной соли в соотношении, примерно 10:1. Контроль расхода водопроводной воды производится по показаниям ротаметра. Расход водопроводной воды регулируется шаровым краном. Расход рабочего раствора, поступающего на электролиз, определяется как сумма расхода насыщенного раствора соли (устанавливается на насосе-дозаторе соли) и расхода воды на разбавление насыщенного раствора (по показаниям ротаметра).

Протекающий через электролизер рабочий раствор подвергается электролизу, в результате которого образуются ГПХН заданной концентрации по активному хлору и водород. Раствор ГПХН, полученный в результате электролиза в электролизере, по трубопроводу поступает в резервуар буферный гипохлорита (РБ).

РБ предназначен для автоматизации процесса получения ГПХН и отделения водорода от раствора ГПХН. Из резервуара гипохлорита ГПХН насосом-дозатором подается по трубопроводу на хлорирование. Дозирование активного хлора регулируется путем изменения подачи насоса-дозатора ГПХН нониусом.

При достижении раствора гипохлорита верхнего рабочего уровня в РБ, установка переходит в ждущий режим с отключением выпрямителя, насоса-дозатора насыщенного раствора соли и электромагнитного клапана на трубопроводе подачи воды на электролиз, пока насос-дозатор ГПХН не уменьшит уровень в РБ до нижнего рабочего уровня. Затем цикл повторяется.

Выделяющийся в процессе электролиза водород в РБ отделяется от раствора и удаляется по отводящему трубопроводу (не входит в комплект поставки) за пределы помещения в атмосферу напорным вентилятором.

Опорожнение электролизера и резервуаров осуществляется в канализационную систему. РБ оборудован аварийным переливным трубопроводом. Перелив осуществляется также в канализацию.

В холодное время, когда температура сетевой воды становится менее +10 градусов необходимо включать контур прохождения воды через теплообменник.

Список литературы

1 Мамедова, В. М. Окислительное гипохлорирование 1-аллил-окси-3-хлор-пропанола-2 в присутствии перекиси водорода [Текст] : научное издание / В. М. Мамедова // Материалы 3-й Респ. науч. конф. аспирантов вузов Азербайджана, 1980. Секц. техн. н. - Баку, 1981. - С. 409-410.

2 Байрамов, Д. Н. Способ получения дихлорбутандиолов или дихлорпентандиолов [Текст] / Д. Н. Байрамов, Д. А. Ашуров, Г. А. Тедорадзе ; Ин-т электрохимии АН СССР, Ин-т хлорорган. синтеза АН АзССР. - № 2682639/23-04 ; Заявл. 10.11.19781984.

3 Алумян, Ж. Р. Электрохимический синтез пропиленхлоргидрина на укрупненной непрерывнодействующей установке [Текст] : научное издание / Ж. Р. Алумян, У. Х. Агаев, Л. П. Твердохлеб // Монометры и полимеры. - Баку, 1983. - С. 80-84. 

4 Способ получения дихлоргидрина глицерина [Текст] / Д. А. Ашуров [и др.]; Ин-т электрохимии АН СССР, Ин-т хлорорган. синтеза АН АзССР. - № 2592102/23-04 ; Заявл. 31.03.19781984.

5 Хлорирование и гипохлорирование 3-хлор-2-хлорметил-1-пропена [Текст]: научное издание / Т. И. Жукова [и др.] // Ж. орган. химии. - 1981. - Т. 17, N 10. - С. 2046-2051.

6 Байрамов, Д. Н. Хлоргидроксилирование изопрена и пиперилена в условиях электролиза соляной кислоты [Текст] : научное издание / Д. Н. Байрамов, Ю. А. Юзбеков, Д. А. Ашуров // Тез. докл. 6 Всес. конф. по электрохимии, 21-25 июня, 1982. - М., 1982. - С. 193. 

7 Buss, E. Untersuchungen zum Mechanismus der Chlorhydrinierung von Olefinen [Text] : научное издание / E. Buss, A. Rockstuhl, D. Schnurpfeil // J. prakt. Chem. - 1982. - Vol. 324, N 2. - S197-208 . - ISSN 0021-8383.

Размещено на Allbest.ru