1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 3, 2022

Теплоэнергетика, 2022, № 3, стр. 86-91

Исследование бактериального загрязнения теплоносителя схемы химического обессоливания на Казанской ТЭЦ-1

С. М. Власов a, *, А. Ю. Власова a, Н. Д. Чичирова a, О. Е. Бабиков a

a Казанский государственный энергетический университет
420066 г. Казань, Красносельская ул., д. 51, Россия

* E-mail: vlasovsm@list.ru

Поступила в редакцию 08.04.2021
После доработки 13.07.2021
Принята к публикации 25.08.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Тепловые электрические станции являются крупнейшим потребителем природной воды и основными источниками сброса загрязненных сточных вод. Вода служит незаменимым ресурсом при организации производственных циклов в нефтехимическом производстве. Вода используется в качестве охлаждающего агента конечного продукта, охладителя технологических агрегатов и оборудования, растворителя для приготовления растворов реагентов, источника пара и конденсата. Производство химически обессоленной воды на ТЭС ‒ это сложный комплексный процесс, в котором задействовано несколько водоподготовительных установок. В процессе эксплуатации в водоподготовительном оборудовании ТЭС могут формироваться колонии микроорганизмов. Как правило, общее количество бактерий колеблется между 1 и 100 млн КОЕ/см3. Состав и количество бактерий зависят от источника водоснабжения, сезонности, водно-химического режима. Приводятся перечень бактерий, влияющих на эксплуатацию водоподготовительного оборудования, и основные методы анализа биологического загрязнения на ТЭС. Рассмотрена технологическая схема с действующей водоподготовительной установкой, на которой проведены промышленные исследования по биологическому загрязнению. Целью исследований является определение количества бактерий в пробах воды на установках химического обессоливания ТЭЦ. Описано влияние бактериального загрязнения ионообменных смол, снижающее эксплуатационные характеристики водоподготовительного оборудования. Определение количества колоний бактерий в пробах воды на водоподготовительных установках проводилось с помощью BART-тестов. В результате исследований получены значения общего микробного числа, определенного в пробах воды на установках химического обессоливания. Результаты обработаны с помощью программно-аппаратного комплекса BARTsoft V6, рассчитаны риски различных типов. Предложены дополнительные методы по обработке воды на примере Казанской ТЭЦ-1.

Ключевые слова: тепловые электрические станции, водоподготовительные установки, химическое обессоливание, ионообменные технологии, биологическое загрязнение, фильтр смешанного действия, промышленные исследования

Очистка добавочной воды на ТЭС производится на водоподготовительных установках (ВПУ), оснащенных осветлителями, механическими и ионитными фильтрами [1]. Для очистки и подготовки исходной воды на современных ВПУ ТЭС применяется автоматизированное оборудование в комбинированных схемах на основе ионообменных и мембранных технологий, что позволяет снизить эксплуатационные затраты, повысить качество воды [2, 3].

Регенерация ионитов не обеспечивает полной очистки их от биологических примесей [4]. За рубежом проблема биологического загрязнения ВПУ ТЭС вызывает все больший интерес. Авторы [4] провели исследования микробиологического загрязнения ступеней ВПУ, состоящей из осветлителей, механических фильтров, ионитных фильтров с прямоточной регенерацией ионитов и фильтров смешанного действия (ФСД). Выявлено повышенное микробиологическое загрязнение ионитов до и после их регенерации. В результате исследований обнаружено, что после регенерации и длительного периода эксплуатации гранулы ионитов разрушаются, в них появляются трещины и сколы. Иониты становятся местом обитания колоний микроорганизмов, которые устойчивы к регенерации [4].

В работе [5] описаны исследования бактериального загрязнения ионитов на ТЭС Shoubra El-khiema и Damietta (Египет). Крупные зарубежные производители ионитов выпустили инструкции по удалению микроорганизмов. В России исследованиям бактериального загрязнения схем химического обессоливания на ТЭС уделяется недостаточно внимания. В правилах технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ не нормируется общее микробное число на ионитных ВПУ [6].

Высокий уровень биологического загрязнения негативно сказывается на работе ионообменных фильтров, так как микроорганизмы могут снижать обменную емкость ионитов на 5% [5].

В результате анализа литературных данных [7] установлено, что виды микроорганизмов, содержащихся в исходной воде и обитающих в водоподготовительном оборудовании, разнообразны. Далее представлены данные по среде обитания активных бактерий в оборудовании ВПУ ТЭЦ:

гетеротрофные бактерии (HAB) ‒ водоприемные шлюзы;

слизеобразующие (SLYM) и сульфатредуцирующие (SRB) бактерии ‒ пруды-охладители, брызгательные бассейны, бассейны и оросители градирен;

железопродуцирующие (IRB) и кислотопродуцирующие (APB) бактерии ‒ водопроводные магистрали и отдельные узлы, конденсаторы паровых турбин, баки и резервуары сырой воды;

флуоресцентные псевдомонады ‒ осветлительные установки, механические фильтры, установки микрофильтрации, ультрафильтрации и обратного осмоса, ионообменные установки.

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ БИОЛОГИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ТЭС

В правилах [6] отсутствуют рекомендации по методам анализа биологических примесей. Для оценки биологического загрязнения оборудования ТЭС могут быть использованы следующие наиболее распространенные методы.

Определение общего микробного числа с использованием чашки Петри. Метод основан на посеве культуры на питательную среду, он не требует больших экономических затрат, имеет высокую точность, прост в исполнении. Продолжительность анализа составляет до 28 ч [8].

Проточная цитометрия. Метод основан на анализе элементов дисперсной фазы по сигналам светорассеяния и флуоресценции [9, 10], эффективен при мониторинге и определении количества микроорганизмов.

Биосенсорный метод. Исследование выполняется с помощью биологического чувствительного элемента с преобразователем сигнала, обеспечивающим возможность количественного анализа [11‒13].

Масс-спектрометрия. Метод основан на исследовании вещества путем определения масс ионов и их количества. Особенность заключается в возможности определять за короткое время вид и подвид содержащихся в пробе микроорганизмов.

Люминометрический метод. Метод основан на хемолюминесцентном определении аденозинтрифосфата, который содержится в клетках бактерий. Устройство позволяет проводить анализ в короткие сроки, в полевых условиях.

BART-тесты (Droycon Bioconcepts Inc., Канада). BART-тесты предназначены для определения биологической активности бактерий и их видов. Основными достоинствами BART-тестов являются мобильность, небольшой размер. Рабочий температурный интервал составляет 0‒45°C [7, 14].

BART-тесты представляют собой контейнер с восстановительно-окислительной средой под плавающим шаром. Контейнер заполняется пробой воды до метки, закрывается, и в течение 8 дней проводятся наблюдения за изменением окраски и вида среды в контейнере. Для полного распределения питательной среды по объему пробы воды контейнер переворачивают на 30 с.

Для определения видов бактерий на ТЭС могут быть использованы следующие BART-тесты: HAB-BART, SLYM-BART, IRB-BART, SRB-BART, APB-BART, FLOR-BART.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве экспериментальной площадки для исследования биологического загрязнения оборудования была выбрана Казанская ТЭЦ-1 (КТЭЦ-1). Водоподготовительная установка на КТЭЦ-1 работает по традиционной технологии: предварительное осветление воды в осветлителях и механических фильтрах и химическое обессоливание при ступенчато-противоточной регенерации. Основным водоисточником ВПУ является р. Волга, усредненные показатели качества исходной воды приведены далее:

Цветность, град ...........................................30
рН ................................................................8.2
Перманганатная окисляемость, мг О/дм3 .....................................................10.0
Щелочность, мг-экв/дм3 ............................2.7
Жесткость общая, мг-экв/дм3 ...................3.45
Концентрация, мг/дм3:
железа общего ...........................................1.0
кремния .....................................................7.0
нефтепродуктов ........................................2.3
хлоридов ..................................................18.0
сульфатов ................................................60.0
нитратов ..................................................0.03

При вводе в эксплуатацию парогазовой установки (ПГУ) мощностью 230 МВт в 2018 г. на ВПУ после второй ступени H- и OH-ионирования дополнительно был установлен фильтр смешанного действия (рис. 1).

Рис. 1.

Технологическая схема ВПУ Казанской ТЭЦ-1. АМО – аппарат магнитной обработки воды; Осв – осветлительная установка; БИКВ – бак известково-коагулированной воды; НИКВ – насос известково-коагулированной воды; МФ – механический фильтр; HI, HII – H-катионитный фильтр I и II ступени; OHI, OHII – OH-анионитный фильтр I и II ступени; БЧОВ – бак частично обессоленной воды; НЧОВ ‒ насос частично обессоленной воды; ФСД – фильтр смешанного действия; БОВ – бак обессоленной воды; 1‒8 – номер пробоотборной точки

В таблице представлена информация о ионитах, загруженных в фильтры ВПУ КТЭЦ-1.

Загрузка ионитных фильтров ВПУ Казанской ТЭЦ-1

Фильтр Ионит Объем фильтрата за фильтроцикл, тыс. м3
HI КУ-2-8 3.4
OHI Гранион (D301MS) 6.3
HII КУ-2-8 150.0
OHII АВ-17-8 250.0
ФСД ТОКЕМ 140/840 250.0

В августе 2020 г. сотрудники Казанского государственного энергетического университета выполнили постадийный анализ проб воды на ВПУ КТЭЦ-1 с помощью биодетекторов BART-тестов с различной питательной средой: SLYM-BART, SRB-BART, HAB-BART, а также грибков и дрожжей [7, 14]. Отбор проб проводили в соответствии с требованиями [15]. Анализ на бактериальное загрязнение выполняли по методике Droycon Bioconcepts Inc. Для исключения фактора случайности в каждой точке отбирали три пробы через 30 мин [16].

Результаты исследования воды BART-тестами на микробиологическое загрязнение ВПУ КТЭЦ-1 показаны на рис. 2. Общее микробное число (ОМЧ) в пробе исходной воды составило 1.27 × × 106 КОЕ/см3, что немного превышает значение нормированного показателя. Такое превышение могло быть спровоцировано высокой температурой наружного воздуха в период проведения исследований (29‒35°С) и медленным течением воды в р. Волга на Куйбышевском водохранилище, что вызвало активное размножение микроорганизмов.

Рис. 2.

Общее микробное число элементов ВПУ Казанской ТЭЦ-1. 1‒3 ‒ номер пробы

В аппаратах предварительной очистки и H-, OH-ионитных фильтрах количество колоний бактерий снизилось до 48 000 КОЕ/см3. На третьей ступени (ФСД) была обнаружена высокая степень микробиологического загрязнения. В фильтрате ФСД количество бактерий составляло (6.89–6.35) × 106 КОЕ/см3. Полученные данные схожи с результатами на ТЭС Shoubra El-khiema и Damietta [4]. Такой всплеск мог быть вызван поэтапным формированием колоний в эрозионных участках ионообменных смол. Поврежденные участки ионитов могут служить идеальной средой обитания микроорганизмов. В работах [4, 5] приводятся аналогичные результаты.

Данные, полученные при исследовании ВПУ КТЭЦ-1 на бактериальное загрязнение, были обработаны в программном аппаратном комплексе BARTsoft V6. Комплекс позволяет оценить риски возникновения биоиндуцированной коррозии, забивку теплоэнергетического оборудования отложениями и вероятность ущерба здоровью обслуживающего персонала. Оценку рисков проводили по девятибалльной шкале значений ОМЧ [16]:

1‒3 балла – обработка биоцидами не обязательна;

4–6 баллов ‒ обработка биоцидами необходима;

7‒9 баллов – обработка биоцидами обязательна в кратчайшие сроки.

Результаты обработки данных BART-тестами по блокам ВПУ КТЭЦ-1 показаны на рис. 3.

Рис. 3.

График оценки рисков ущерба от коррозии (1), засорения оборудования (2), нанесения вреда здоровью персонала (3) в программе BARTsoft V6 по оборудованию ВПУ Казанской ТЭЦ-1

Из графика видно, что исходная вода требует плановой биоцидной обработки. Общее микробное число, характеризующее риски засорения оборудования и коррозии от присутствующих в исходной воде бактерий, выше нормируемых значений и составляет 4‒5 баллов. В блоке предварительной очистки (Осв, МФ) и ионитных фильтрах I и II ступени ОМЧ находится на низком уровне (менее 1 балла), биоцидная обработка не требуется. Опасный уровень рисков был выявлен в ФСД. Данный факт многократно подтвержден экспериментами. На этом участке ОМЧ коррозионного риска составило 7 баллов, ОМЧ риска засорения оборудования – 5 баллов. Для блока ФСД требуется проведение внеплановой биоцидной обработки, которая на сегодняшний день не осуществляется.

ВЫВОДЫ

1. При исследовании биологического загрязнения оборудования водоподготовительной установки Казанской ТЭЦ-1 обнаружено повышенное количество бактерий в ионитах фильтров смешанного действия, вызванное низким расходом воды через фильтры и увеличенными фильтроциклами.

2. Регенерация фильтров смешанного действия не обеспечивает полной очистки ионитов от бактерий, что приводит к снижению качества обессоленной воды, подаваемой в котел-утилизатор. При этом повышается вероятность появления коррозии котла-утилизатора и возникает необходимость дополнительного дозирования реагентов для поддержания нормируемого pH, что, в свою очередь, приводит к снижению экономических показателей ТЭС в период отпуска тепловой и электрической энергии.

3. Решением проблемы биологического загрязнения является постоянный контроль общего микробного числа, при технической возможности дополнительная термическая деаэрация, биоцидная обработка ионитов водоподготовительной установки или их УФ-облучение (кварцевание).

Список литературы

  1. Проведение и анализ результатов теплохимических испытаний котла-утилизатора ПГУ-110 МВт ТЭЦ “ГСР-энерго” г. Колпино / И.И. Беляков, В.М. Евтушенко, В.И. Бреус, А.С. Богорад, Н.Н. Большакова // Энергосбережение и водоподготовка. 2015. № 4 (96). С. 75‒79.

  2. Ларин Б.М., Ларин А.Б., Козловский В.В. Состояние технологии обработки воды на тепловых электростанциях // Сб. докл. VII Междунар. науч.-техн. конф. “Водоподготовка и водно-химические режимы ТЭС. Цели и задачи”. М.: ВТИ, 2020. С. 93‒99.

  3. Мамет А.П., Таратута В.А., Юрчевский Е.Б. Принципы создания малоотходных водоподготовительных установок // Теплоэнергетика. 1992. № 7. С. 2–5.

  4. Critical point analysis and biocide treatment in a microbiologically contaminated water purification system of a power plant / Zsuzsa Kéki, Judit Makk, Katalin Barkács, Balázs Vajna, Márton Palatinszky, Károly Márialigeti, Erika Tóth // SN Appl. Sci. 2019. V. 1. № 820. https://doi.org/10.1007/s42452-019-0740-9

  5. Abiotic factors and microbial communities fouling anion exchange. Resin causing performance deficiency in electric power plants / Shimaa M. Abdelsalam, Zeinab M.H. Kheiralla, Feriala A. Abo-Seif, Shereen M.E. Asker // J. Micro. 2017. V. 52. P. 17‒28. https://doi.org/10.21608/ejm.2017.812.1017

  6. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. СПб.: ДЕАН, 2004.

  7. Biological activity reaction test (BART TM) user manual. Droycon Bioconcepts Inc., Regina, Saskatchewan, DBI, 2002.

  8. Bushon R.N., Likirdopulos Ch.A., Brady A.M.G. Comparison of immunomagnetic separation/adenosine triphosphate rapid method to traditional culture-based method for E. coli and enterococci enumeration in wastewater // Water Res. 2009. V. 43. P. 4940–4946. https://doi.org/10.1016/j.watres.2009.06.047

  9. Hammes F., Egli T. Cytometric methods for measuring bacteria in water: advantages, pitfalls and applications // Anal. Bioanal. Chem. 2010. V. 397. № 3. P. 1083–1095. https://doi.org/10.1007/s00216-010-3646-3

  10. Kennedy D., Wilkinson M.G. Application of flow cytometry to the detection of pathogenic bacteria // Curr. Issues Mol. Biol. 2017. V. 23. P. 21‒38. https://doi.org/10.21775/cimb.023.021

  11. Label-free electrochemiluminescent biosensor for rapid and sensitive detection of pseudomonas aeruginosa using phage as highly specific recognition agent / H. Yue, Y. He, E. Fan, L. Wang, S. Lu, Z. Fu // Biosens. Bioelectron. 2017. V. 94. P. 429‒432. https://doi.org/10.1016/j.bios.2017.03.033

  12. Chen S., Cheng F. Biosensors for bacterial detection // Int. J. Biosens. Bioelectron. 2017. V. 2. № 6. P. 197‒199. https://doi.org/10.15406/ijbsbe.2017.02.00048

  13. Emerging biosensor platforms for the assessment of water-borne pathogens / N. Kumar, Y. Hu, S. Singh, B. Mizaikoff // Analyst. 2018. V. 143. Is. 2. P. 359‒373. https://doi.org/10.1039/C7AN00983F

  14. Cullimore D.R. Preliminary comparison of the applicability of the HAB BART system and the agar spread plate methods for the quantification of bacterial populations in selected dilutions of pure cultures of three bacterial species // J. Environ. Micropal., Microbiol. Meiobenth. 2008 V. 3. P. 31–43.

  15. ГОСТ 31942-2012 (ISO 19458:2006). Вода. Отбор проб для микробиологического анализа. М.: Стандартинформ, 2012.

  16. Методы снижения бактериального загрязнения систем оборотного охлаждения ТЭЦ / Н.Д. Чичирова, А.А. Чичиров, С.М. Власов, А.Ю. Власова // Теплоэнергетика. 2015. № 7. С. 62‒67. https://doi.org/10.1134/S0040363615070024

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал