
В результаті комплексної електрофізичної обробки води електричними імпульсами стає можливим забезпечити суттєве ослаблення життєздатності дрейсени, інвазійних мікроорганізмів та водної рослинності, що ускладнює біологічне обростання в системах охолодження. Собівартість очищення води за допомогою електрофізичного комплексу ЕЛЬФ у 2 … 3 рази менше, ніж при використанні інших технологій. Крім того спостерігається деяке пом’якшення води, що перешкоджає утворенню накипу на стінках теплообмінників, трубопроводів і іншої водопроводної арматури.
БІОЛОГІЧНЕ ОБРОСТАННЯ В СИСТЕМАХ ОХОЛОДЖЕННЯ
Боротьба з біологічним обростанням в системах охолодження є одним з головних напрямків в енергетиці, на металургійних та хімічних комбінатах. Від ефективності роботи системи охолодження значною мірою залежить надійність та ефективність роботи генеруючого та технологічного обладнання. Біологічне обростання суттєво знижує ефективність роботи систем охолодження. Так наявність на внутрішніх стінках теплообмінників біологічних відкладень завтовшки 0,5 мм знижує ефективність теплопередачі на 25%. Що веде до непередбачуваних втрат тепла, електрики та збільшення їх вартості.
Основними забруднювачами систем охолодження є гідробіонти та вища водна рослинність. Серед гідробіонтів особливо небезпечним є молюск – дрейсена (Dreissena polymorpha). Завдяки своїй структурі дрейсена надійно прикріпляється до будь-яких поверхонь, та створює перешкоди на шляху потоку води. Розвиваючись всередині системи охолодження, дрейсена швидко звужує проточні канали, що суттєвого суттєво знижує ефективність роботи системи охолодження. Крім того, фекалії, що виділяються молюсками, містять значну кількість азоту і фосфору, які є споживчою речовиною для водної рослинності. Що, своєю чергою, призводить до прискорення розвитку донних водоростей, які також на ефективність роботи системи охолодження.



Молюсок дрейсена (Dreissena polymorpha) – основна загроза для систем охолодження у енергетиці.
Щільність заселення дрейсеною внутрішніх частин систем охолодження може становити 500 000 … 700 000 шт./м2, при цьому зменшення перерізу трубопроводу може сягати 75%. Оскільки розмір молюска досить великий, то молюсок здатен миттєво заблокувати канал охолодження і створити умови для локального перегріву. Що веде до виникнення аварійної ситуації.
Дослідження, які проводились на водозаборах Зміївської ТЕС (Харківська обл.), виявили, що з появою у водоймі-охолоджувачі дрейсени спостерігається різке збільшення загальної біомаси водної рослинності. Підвищення температури води на водоскиді до +30 … +32°С, а на водозаборі до +22 … +25°С, призвело до різкого (у 4 … 5 разів) зростання чисельності молюска та потрапляння його на водозабори електростанції, що створило великі перешкоди у водопостачанні ТЕС.
БОРОТЬБА З БІОЛОГІЧНИМ ОБРОСТАННЯМ
Боротьба з біологічним обростанням досить затратна. Так на боротьбу з біологічним обростанням на водозаборах системи водопостачання продуктивністю 190 тис. м3/добу, який забезпечує питною водою 600 тис. людей, кожний рік витрачається понад 1 млн. EUR.
Для боротьби з біологічним обростанням систем охолодження використовують хімічні реагенти та фізичні методи.
ХІМІЧНІ МЕТОДИ
До хімічних методів боротьби з біологічним обростанням систем охолодження відноситься їх обробка хімічними реагентами, такими як: хлор, гіпохлорит натрію, водний розчин мідного купоросу та інші.
Так хлорування води ефективне при знешкодженні мікроорганізмів, які утворюють на поверхні технологічного обладнання стійку біоплівку. А обробка води мідним купоросом використовується для боротьби з розповсюдженням дрейсени та інших молюсків.
За допомогою реагентів забезпечується суттєве зменшення швидкості зростання біомаси. При використанні хімічних методів необхідно звертати увагу на те, що вони ефективні при достатньо високих концентраціях. Так для хлорування обігової води використовуються дози хлору на рівні 5 … 7 мг/дм3 при тривалості контакту до 8 годин. А при обробці води мідним купоросом (CuSO4·5H2O), його концентрація у воді повинна становити 3 … 6 мг/дм3 при траволості контакту 8 … 10 годин. Варто відзначити, що такі високі норми неприпустимі для обробки води у водоймах – охолоджувачах, так як гранично допустимі концентрації цих реагентів становлять: для хлору – 0,35 мг/дм3, а для міді – 1 мг/дм3.
Хімічні методи боротьби з біологічним обростанням систем охолодження доцільно застосовувати там, де має місце повністю замкнена система охолодження. Наприклад у системах охолодження промислових холодильників, кондиціонерів тощо. Але на теплових і електричних станціях, а також на великих підприємствах для охолодження використовують водойми – охолоджувачі, де із-за екологічних чинників неможливе застосування хімічних методів боротьби з біологічним обростанням і необхідно використання зовсім інших методів.
ФІЗИЧНІ МЕТОДИ ОЧИЩЕННЯ
До фізичних методів очищення відносяться: фільтрація, обробка води ультразвуком, постійним або змінним електричним або магнітним полем (електрофізичні методи).
Фільтрація
Для очищення води від дрейсени та водної рослинності використовують сітчасті фільтри, що працюють у автоматичному режимі. Однак, враховуючи те, що розміри клітинки фільтруючої сітки становить 40 … 100 мкм, а розміри личинок дрейсени – 5 … 25 мкм, такі фільтри не в змозі поставити надійний бар’єр на шляху розповсюдження дрейсени. Крім того здатність личинки міцно тримаються за будь-яку конструкцію зводять нанівець ефективність системи автоматичного очищення фільтруючих сіток. В результаті чого фільтр перестає виконувати свою пряму функцію очищення води, що веде до перегріву системи охолодження.
Ще одним фактором, що струмує впровадження фільтруючого обладнання, є великі об’єми води у системі охолодження та відносно невелика продуктивність фільтру, яка рідко перевищує кілька сотен метрів за годину при 100 мкм прозорах у фільтруючій сітці.

Знешкодження гідробіонтів ультразвуком
Ультразвукове очищення води – це фізичний метод, який дозволяє уникнути використання шкідливих та дорогих хімічних речовин. Кавітаційні сили вбивають невеликі водні організми та мікроорганізми (дрейсена, нематоди, бактерії та віруси). Під дією ультразвуку руйнуються волокна водних рослин, що призводить до їх загибелі.
Ультразвук генерує у воді потужні кавітаційні процеси, які призводять до чергування циклів високого і низького тиску. Під час циклу низького тиску високоінтенсивні ультразвукові хвилі створюють невеликі вакуумні бульбашки або порожнечі рідини. Коли бульбашки досягають критичного об’єму і більше не здатні поглинати високочастотну енергію, вони схлопуються і генерують ударні хвилі які руйнують клітинні стінки організмів.

Ультразвукові коливання сприяють інтенсивному утворенню у воді нових центрів кристалізації, що уповільнює швідкість росту вапняних кристалів та інтенсифікує утворення шламу, який випадає у осад та видаляється продувкою системи. Ультразвукові коливання перешкоджають утворенню шару накипу на стінках теплообмінників.

Очищення води електрофізичними методами
Основою технологічного процесу очищення води від гідробіонтів є руйнування їх клітинної структури гідробіонтів та рослинності в результаті комплексної дії на них імпульсного електричного розряду, кавітації, постійного електричного струму та інтенсивного окиснювання. Тобто метод електрофізичної обробки води поєднує в собі всі переваги фізичних і хімічних методів боротьби з біологічним обрастанням систем охолодження.
Під дією імпульсного електричного розряду у воді генеруються потужні ударні хвилі які призводять до збудження інтенсивної кавітації. Ударні хвилі мають велику руйнівну силу. Фронт ударної хвилі характеризується високим тиском, а за фронтом йде хвиля розрядження. Що створює великий перепад тиску, який розриває клітинну структуру живих організмів. Кавітація характеризується аномально високими тиском (понад 200 МПа) і температурою понад 5000 К. Схлопування кавітаційних бульбашок супроводжується інтенсивним УФ випромінюванням, яке руйнує молекули ДНК мікроорганізмів . Під дією електричних імпульсів і інтенсивного УФ випромінювання у кавітаційних бульбашках утворюються активні радикали (атомарний кисень O, перекис водню H2O2, активні гідроксил – радикали OH*), які також активно руйнують клітинну структуру гідробіонтів.
Будь-яка жива клітинка має поверхневий електричний заряд, який поляризує та притягує до себе навколишні молекули води. При потраплянні такої клітинки у постійне електричне поле здійснюється поляризація як молекул клітинки, так і навколишніх молекул води. Під дією електричного поля молекули води намагатися проникнути всередину клітинної мембрани. А зворотний осмотичний тиск усередині клітини перешкоджає цьому проникненню. Це призводить до різкого збільшення осмотичного тиску всередині клітини і пошкодженню її оболонки. Що приводить до загибелі клітки.
В результаті комплексної електрофізичної обробки води електричними імпульсами та постійним електричним полем стає можливим забезпечити суттєве ослаблення життєздатності дрейсени, інвазійних мікроорганізмів та водної рослинності, що ускладнює процес біологічного обростання технологічного обладнання системи охолодження. Крім того спостерігається деяке пом’якшення води, що перешкоджає утворенню накипу на стінках теплообмінників, трубопроводів і іншої водопроводної арматури.

ТЕХНОЛОГІЧНИЙ КОМПЛЕКС ЕЛЬФ ДЛЯ БОРОТЬБИ З БІОЛОГІЧНИМ ОБРОСТАННЯМ
Технічна пропозиція
Технологічний комплекс ЕЛЬФ призначений боротьби з біологічним обростанням водоводів і технологічного обладнання, які обумовлені наявністю у воді молюска Dreissena polymorpha, інвазійними мікроорганізмами та іншою водною флорою та фауною. Основний процес обробки – знищення мікроорганізмів відбувається всередині фізико – хімічного реактора в результаті їх обробки високоенергетичними електричними імпульсами.
Система очищення води ЕЛЬФ складається з модуля електрофізичної обробки та модуля обробки води електричним струмом:
- Модуль електрофізичної обробки води забезпечує її обробку високовольтними електричними імпульсами з питомими витратами електричної енергії 0,1 кВт·годин/м3;
- Модуль обробки води електричним струмом забезпечує здійснення процесу поляризації. Питомі витрати електрики для здійснення цього технологічного процесу становлять 0,0005 кВт·годин/м3.
ОСНОВНІ ТЕХНІЧНІ ПОКАЗНИКИ
№ | Параметр | Значення | Од. виміру |
1 | Продуктивність | 300 000 | м3/годину |
2 | Розрахункова ефективність знешкодження гідробіонтв | > 99 | % |
3 | Питомі витрати електрики | < 0,1 | кВт·годин/м3 |
4 | Потужність | 25 | МВт |
5 | Напруга живлення | 10 … 35 | кВ |
6 | Доля електрики, яка витрачається на електрофізичну обробку води | 1,16 | % |
ЕКОНОМІЧНА ДОЦІЛЬНІСТЬ
Основним фактором, який впливає на впровадження методу очищення води, є економічна ефективність цього метода. Яким би ефективним не був метод очищення, доцільність його впровадження обумовлюється собівартістю технологічного процесу, який не повинен перевищувати 1,5 … 2% від собівартості електричної енергії, що виробляється ТЕС або АЕС.
Розглянемо економічну доцільність впровадження методу очищення води на прикладі ТЕС потужністю 2200 МВт, система охолодження якої споживає приблизно 300 тис. м3/годину.
Собівартість використання хімічних методів боротьби
Для порівняння візьмемо дві технології, одна з яких заснована на використанні мідного купоросу (CuSO4•5H2O), а друга – на застосуванні електрофізичних технологій (технологічний комплекс ЕЛЬФ). Приймаємо, що для забезпечення достатньої ефективності боротьби з розмноженням дрейсени за допомогою мідного купоросу його необхідно додавати у воду у кількості 5 г/м3 [5]. Вартість 1 кг CuSO4·5H2O становить 3,7 EUR/кг.
Для обробки 300 тис. м3 води за допомогою мідного купоросу необхідно витратити: 300 000 м3 · 5·10-3 кг/м3 = 1550 кг мідного купоросу. Вартість 1550 кг мідного купоросу становить 1500 кг · 3,7 EUR/кг = 5550 EUR.
Враховуючі витрати, які пов’язані з транспортуванням, зберіганням і дозуванням цього реагенту (що приблизно становить 15% від вартості реагенту), витрати на обробку такої кількості води складуть 6380 EUR. При цьому не берем до уваги витрати, які пов’язані з подальшим очищенням води від залишків міді, гранично-допустима концентрація (ГДК) якої не повинна перевищувати 1 мг/дм3 для звичайних водойм-охолоджувачів, і 0,001 мг/дм3 для водойм-охолоджувачів, у яких може водитися риба. Таким чином, при використанні методу боротьби з дрейсеною, який засновано на використанні мідного купоросу, питомі витрати перевищують 6380 EUR/300000 м3 = 0,0213 EUR/м3, що становить 21,3 EUR за 1000 м3 води.
Питомі витрати при використанні технології хлорування (концентрація хлору у воді – 5 г/м3, тривалість контакту – 8 годин, вартість рідкого хлору – 2 EUR/кг) приблизно становлять: 0,005 кг/м3 · 1 м3/годину · 2 EUR · 1.15 = 0.0115 EUR/м3. Тобто витрати на хлорування 1000 м3 води будуть становити 11,5 EUR. При цьому потрібно брати до уваги, що використання хлору більш ефективне при боротьбі з бактеріями, ніж з інвазійними мікроорганізмами. Також необхідно не забувати про гранично – допустиму концентрацію залишкового хлоридів у воді, яка не повинна перевищувати 0,35 мг/дм3, прицьому активного хлору у воді не повинно бути.
Собівартість очищення води технологічним комплексом ЕЛЬФ
При використанні для боротьби з гідробіонтами технологічного комплексу ЕЛЬФ основні витрати будуть пов’язані з кількістю електрики, яка використовується у технологічному процесі. Так як питомі витрати на обробку води становлять приблизно 0,085 кВт·годин/м3, то кількість електричної енергії, яка необхідна для обробки 300000 м3 води становить 25500 кВт·годин. Що складає 25500 кВт·годин/2200000 кВт·годин = 0,0116, тобто 1,16 % від кількості електрики, яка виробляється ТЕС.
Для подальших розрахунків приймаємо, що собівартість виробництва 1 кВт·години електроенергії становить 0,06 EUR. Тоді собівартість електрики, яка споживається технологічним комплексом потужністю 300000 м3/годину з врахуванням витрат на його технічне обслуговування (приблизно 15%) буде становити 25500 (кВт · годин) · 0,06 EUR/(кВт · годин) · 1,15 = 1760 EUR. Відповідно питомі витрати на обробку 1 м3 води будуть становити 1760 EUR/300 000 м3 = 5,867·10-3 EUR/м3. Тобто питомі витрати на обробку 1000 м3 води будуть становити 5,867 EUR.
Економічна ефективність
Отримані результати показують, що собівартість боротьби з біологічним обрастанням в системах охолодження за допомогою електрофізичних методів обробки у 21,3 EUR/5,867 EUR = 3.63 рази менше, ніж при використанні методу, який засновано на використанні мідного купоросу і у 11,5 EUR/5,867 EUR = 1,96 разів менше, ніж при використанні технології хлорування. При цьому необхідно брати до уваги, що ця технологія не потребує будь-яких додаткових методів очищення води.
ПЕРЕВАГИ ТЕХНОЛОГІЧНОГО КОМПЛЕКСУ ЕЛЬФ
- Технологічний комплекс ЕЛЬФ – це нове слово в боротьбі з біологічним обрастанням.
- Використання сучасних електрофізичних технологій забезпечує ефективне подавлення життєвих функцій дрейсени та інших водних організмів, включаючи різні види вищої рослинності.
- З метою зменшення витрат електричної енергії використовується м’який режим роботи технологічного комплексу. Загибель річкової флори і фауни здійснюється на протязі 2 … 3 годин після їх обробки електричними імпульсами. При цьому дрейсена зразу втрачає здатність прикріплятися до будь-якого технологічного обладнання.
- Модуль обробки води електричним струмом збільшує ефективність пригнічення життєвих параметрів річкової флори і фауни, що також зменшує питомі витрати електрики.
- Витрати на обробку води у 3,63 разів менше, ніж при використанні методу, який засновано на використанні мідного купоросу і у 1,96 разів менше, ніж при використанні технології хлорування. І це не враховуючи витрати на доставку та зберігання реагентів.
- Технологічний комплекс ЕЛЬФ повністю відповідає сучасним вимогам з охорони водних ресурсів і навколишнього природного середовища. Так як для боротьби з біологічним обростанням не використовуються токсичні хімічні реагенти. Єдине, що необхідне – це електрика, яка виробляється електростанцією, доля якої не перевищує 1,16% від загальної кількості виробленої електрики, що не перевищує 1,5 … 2% від собівартості електричної енергії, що виробляється електричною станцією.
Для додаткового захисту технологічного обладнання від біологічного обростання доцільно використовувати УФ опромінювачі зануреного типу, з допомогою яких здійснюється УФ опромінення водозабірних частин насосів, клапанів, фільтрувальних сіток тощо.
Очищення води за допомогою електрофізичного технологічного комплексу ЕЛЬФ не потребує будь-яких додаткових методів очищення води. Оброблена вода повністю зберігає свій природний склад і може бути використана для розведення будь-яких риб, наприклад чорного амура (Mylopharyngodon piceus) або інших риб.
Все ЦЕ показує перспективність викорисТання технологічного комПлексу ЕЛЬФ для боротьби з біологічним обростанням в ЕНЕРГЕТИЦІ.