Ю. А. Ищенко.
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
ДЕЛЬТА-ФИЛЬТРОВАНИЯ
(двухэтапный вариант внедрения)
Цель внедрения: удвоение продолжительности периода полезного фильтрования скорых фильтров путём увеличения грязеёмкости фильтрующих загрузок, не изменяя гранулометрические параметры фильтрующих загрузок и не снижая эксплуатационных скоростей фильтрования, и, как следствие, увеличение среднесуточной производительности скорых фильтров; повышение качества фильтрата и уменьшение эксплуатационных расходов; повышение скорости фильтрования.
Эта цель достигается с помощью гидравлических структуризаторов, которыми дополнительно оборудуются скорые фильтры. Они формируют одинаковую структуру песка по всей глубине загрузки - с практически одинаковым коэффициентом неоднородности зёрен и с более крупными входными порами в верхнем слое, чем поры в нижележащей толще песка. Степень структурирования (структуризации) задаётся оператором.
Технология структуризации описана в монографии [1] ( с. 171-173, 209-212), развита в ряде патентов, в т.ч. RU 2749272 [2], и является основой актуального «МЕГАПРОЕКТ RU 2749272» в составе нашего масштабного «МЕГАПРОЕКТ - XXI». Внедрение целесообразно в два этапа. Второй этап - если первый окажется недостаточным для удовлетворения дальнейших запросов увеличения производительности водоочистной станции. Дополнительно следует иметь в виду: развитию действующих станций / созданию новых служат наши патенты RU 2668900 - выгодно используется длительное измельчение зернистой загрузки, RU 2033841, RU 2568720,и RU 2802035 - автономные безреагентные/реагентные установки дельта-фильтрования заводского изготовления.
Устройство к расчётам, которым осуществляется технология, соответствует следующей схеме (одной из разработанных и надлежащим образом зарегистрированных шести схем. в т.ч. патентом RU 2405614 [3]) с хорошо доступным к пониманию принципом действия устройства (его гидравлические эквиваленты: насос/геодезическая высота стока промывной воды с их атрибутами):
1 – корпус скорого фильтра (секции),
2 – фильтрующая загрузка,
3 – обратный фильтр,
4 – камера исходной (сырой) воды,
5 – дренаж с коллектором,
6 – труба подвода сырой воды,
7 – труба с задв. 8 промывной воды,
9 – труба с задв. 11 отвода промыв. воды,
10 – труба с задв. 12 отвода фильтрата,
13 – вакууммирующий эжектор,
14 – всасывающая труба,
15 – вакуумный бак,
16 – воздушное микроотверстие,
17 – быстродействующий клапан,
18 – труба с задв. 19 первого фильтрата,
20 – лоток,
21 – центральный канал между секциями,
22 – промывной насос.
Принцип действия структуризатора 13-17
На рисунке - не простейший вариант: «Структуризатор вакуумбак-коллекторный секционный». Он служит для управления (одновременно в обеих секциях фильтра 1 или поочерёдно; площадь секции может быть разбита на несколько одинаковых зон с отдельным структуризатором 13-17 в каждой, но все работающие одновременно) раскладкой зёрен фильтрующей загрузки 2 по высоте, укрупнения поровых каналов на её входе, уменьшения размеров пор в направлении фильтрации сверху вниз, затягивания мелких фракций в толщу загрузки 2, перевода скорых фильтров в безреагентный режим фильтрования, получения др. полезных результатов.
Структуризатор, отдельный для каждой секции фильтра, представляет собой вакуумный бак 15 с быстродействующим клапаном 17 на его входе, подключённый трубой 14 к трубе 7 промывной воды (труба 14 может быть подключена к штатной задвижке опорожнения фильтра), и с миниатюрным вакууммирующим эжектором 13, присоединённым всасывающим патрубком к вакуумному баку 15. Труба 7 промывной воды подключена к промывному насосу 22. В структуризаторе первого этапа элементы 13 и 15 отсутствуют.
В исходном состоянии, в течение фильтроцикла до начала структуризации, клапан 17 нормально-закрыт, через эжектор 13 постоянно подаётся вода (фильтрат из трубы 10 и далее в систему водоснабжения) с рабочим для него расходом. Эжектор 13 создаёт в баке 15 вакуум, отсасывая из него воду и воздух. Ввкуум в баке 15 регулируют вентилем на воздушном микроотверстии 16.
Чистая промывная вода подаётся в дренаж 5 насосом 22 по трубе 7 через задвижку 8. Загрузка 2 в секции фильтра промывается, «кипит» в псевдоожиженном состоянии. Грязная промывная вода отводится по лотку 20 в центральный канал 21 и далее сбрасывается в технический коллектор по трубе 9 через задвижку 11.
Структуризатор 13-17 работает следующим образом. В момент завершения промывки быстро закрывают задвижку 8 на трубе 7 промывной воды и мгновенно открывают клапан 17. Вакуумный бак 15, выполняя функцию всасывающего насоса, интенсивно отсасывает воду из-под псевдоожиженной загрузки 2 с помощью дренажа 5. Все зёрна загрузки 2 вовлекаются водой в быстрое нисходящее движение, при котором крупные инерционные зёрна отстают от мелких менее инерционных зёрен, и загрузка 2 в осаждённом состоянии оказывается укрупнённой кверху - как по крупности зёрен, так и по размеру пор. Вакуумный бак 15 заполнился дренированной водой. После этого закрывают клапан 17 и переводят фильтр 1 в режим осветления воды с помощью задвижек на трубах 6, 9, 10, 15. Одновременно эжектор 13 откачивает воду и воздух из бака 15, и в нём снова постепенно создаётся вакуум для очередной структуризации фильтрующей загрузки 2. В структуризаторе первого этапа (отсутствуют элементы 13 и 15) промывная вода в процессе структуризации возвращается через клапан 17 непосредственно в систему.
Технико-экономические показатели внедрения
на городской станции производительностью W=550000 м3/сут
(в расчёте на одну устранённую промывку на всех скорых фильтрах)
1. Прибавка питьевой воды от одной исключённой промывки на всех фильтрах 25714 м3/сут.
2. Полезная производительность всех фильтров на станции возрастает до 575714 м3/сут.
3. Необходимые средства на внедрение технологии 31 млн руб.
4. Прибыль 84,7 млн руб/год.
5. Срок окупаемости 4,4 месяца.
6. Испытания в конкретных гидрологических условиях могут показать возможность до 4-кратного увеличения грязеёмкости фильтрующей загрузки в результате её структуризации и, следовательно, кратного увеличения периода полезного фильтрования - с нормативных 8 (6 - форсаж) до ~24 часов. Тогда срок окупаемости станет ещё меньше - несколько дней.
7. Технология позволяет повысить скорости фильтрования (относительно действующей ~5 м/ч) до значений, которые выявятся исследованиями на пилотной установке. Тогда, на каждом дополнительном 1 м/ч будет получена прибавка питьевой воды, равная 575714/5=115143 м3/сут, а прибыль приумножится.
8. Без каких-либо изменений внедрённая технология структуризации может быть также высоко эффективной для эксплуатации скорых фильтров в безреагентном режиме Дельта-фильтрования, загрузив их песком согласно рис.19 [1] - dэкв=0,25-0,6 мм. Это не только позволило бы избавиться от коагулянта и флокулянта в питьевой воде (со смещением их на промывные воды), но и повысило бы содержание микронутриентов в ней, а также облегчило бы защиту водоводов и сетей от дальнейшей коррозии, так как в таком случае по трубам будет транспортироваться вода с более высокими значениями pH и щёлочности.
9. Технология структуризации эффективна и для контактных осветлителей АКХ (Академии коммунального хозяйства) восходящего фильтрования (позволяет обеспечить наиболее грязеёмкую раскладку зёрен).
10. Может поставляться с проектом надёжного гравийного дренажа и его сетчато-просечной модификации конструкций автора [1] – рис 47, с. 141.
11. Для всех элементов структуризации применимы покупные изделия, выпускаемые промышленностью, и материалы, разрешённые Минздравом к контакту с питьевой водой.
12. Внедрение элементов структуризации осуществимо без вмешательства в конструкцию фильтров и действующие технологии водоочистки.
Расчётная часть ТЭО
Исходные данные на дату разработки 11.09.2008:
- режим очистки воды реагентный, применяемый сейчас на станции (коагулянт, флокулянт);
- отпускная цена 1 м3 питьевой воды р=8,9 руб;
- стоимость 1 квт*ч ц=1,5 руб;
- регулярные сбросы 1-го фильтрата в канализацию при Дельта-фильтровании искдючены;
- скорость фильтрования V=5 м/ч;
- площадь одного фильтра 108 м2;
- площадь фильтрования, обслуживаемая 1 структуризатором, f=108/4=27 м2;
- интенсивность промывки загрузки q=14 л/с на 1 м2;
- потери напора при промывке + геодезич. высота равны напору промывного насоса h=20 м;
- продолжительность промывки t=6 мин=360 с;
- промывка фильтров ведётся осветлённой водой;
- толщина фильтрующего слоя (загрузки) а=1 м;
- расширение загрузки при промывке е=0,3 м;
- стоимость 1 тонны конструкции нестандартного оборудования из стали s=50000 руб.
Расчёт экономических показателей на один структуризатор
1. Каждый структуризатор использует (с возвратом в систему) объём осветлённой воды
w=f*е=27*0,3=8,1 м3.
2. Принимаем вакуумный бак структуризатора объёмом (с запасом) 10 м3.
3. Масса бака
m=2,5 тонны.
4. На исключении одной промывки структуризатор экономит за сутки объём чистой воды
U=q*f*t=14*27*360=136080 л/сут=136 м3/сут.
5. Экономия на промывной воде в денежном выражении
э=U*p=136*8,9=1210 руб/сут.
6. Дополнительное производство питьевой воды за 6 минут (1/10 ч) исключённой промывки
д=f*V*(1/10)=27*5/10=13,5 м3/сут.
7. Прибыль на производстве питьевой воды за 6 минут исключённой промывки составит
рд=8,9*13,5=120 руб/сут.
8. Экономия в рублях на электроэнергии одной промывки
цэ=ц*[q*f*h/(102*0,6)]*t/3600=1,5*[14*27*20/(102*0,6)]*360/3600=18,5 руб/сут.
9. Сумма экономий и прибыли
ээ=э+цэ+цд=1210+18,5+120=1348 руб/сут.
10. Стоимость вакуумного бака
B=s*m=50000*2,5=125000 руб.
11. Стоимость эжектора, поворотного клапана и пр.
ЭП=10%В=0,1*125000=12500 руб.
12. Стоимость монтажа и неучтённых расходов
М=30%(В+ЭП)=0,3(125000+12500)=41250 руб.
13. Суммарные расходы
С=В+ЭП+М=125000+12500+41250=178750 руб=0,18 млн руб.
14. Срок окупаемости
О=С/ЭЭ=178750/1348=4,4 месяца.
15. Срок окупаемости обратно пропорционален числу изъятых промывок.
Расчёт экономических показателей по всем фильтрам станции
16. Производительность одного фильтра без вычета расходов воды на промывку
Q=4*f*V=4*27*5=540 м3/ч=12960 м3/сут.
17. Количество фильтров
N=W/Q=550000/12960=43 шт.
18. Экономия на промывной воде
ЭВ=4*э*N*365=4*1210*43*365=75963800 руб/год=76 млн руб/год.
19. Экономия электроэнергии на промывках
ЭЭ=365*N*[q*4*f*h/(102*0,6)]*t/3600=
365*43*[14*4*27*20/(102*0,6)]*360/3600=775517 квт*ч/год.
20. Экономия на электроэнергии для промывок
ЦЭ=ЭЭ*ц=775517*1,5=1163276 руб/год=1,163 млн руб/год.
21. Годовая прибыль на производстве питьевой воды за 6 минут исключённой промывки
ГП=ц*4*д*365*N=8,9*4*13,5*365*43=7543017=7,5 млн руб/год.
22. Общая годовая прибыль
SS=ЭВ+ЦЭ+ГП=75963800+1163276+7543017=84670093=84,7 млн руб/год.
23. Прибавка питьевой воды на каждой исключённой промывке
dW=4*(U+Qд)*N=4*(136+13,5)*43=25714 м3/сут=9,4 млн м3/год.
24. Необходимые средства на реализацию технологии структуризации на всех фильтрах
CN=4*C*N=4*178750*43=30745000 руб=31 млн руб.
25. Срок окупаемости
О=СN/SS=30745000/84670093=4,4 месяца.
Приведение рассчитанных выше экономических показателей
к городскому водопотреблению России ∑W=71 млн м3/сут
26. Количество фильтров
∑N=∑W/Q=71000000/12960=5478 шт.
27. Экономия на промывной воде
∑ЭВ=4*э*∑N*365=4*1210*5478*365=9677434800 руб/год=9,7 млрд руб/год.
28. Экономия электроэнергии на промывках
∑ЭЭ=365*∑N*[q*4*f*h/(102*0,6)]*t/3600=
365*5478*[14*4*27*20/(102*0,6)]*360/3600=98797341 квт*ч/год.
29. Экономия на электроэнергии для промывок
∑ЦЭ=∑ЭЭ*ц=98797341*1,5=148196012 руб/год=148,2 млн руб/год.
30. Годовая прибыль на производстве питьевой воды за 6 минут исключённой промывки
∑ГП=ц*4*д*365*∑N=8,9*4*13,5*365*5478=960945282=960,9 млн руб/год.
31. Общая годовая прибыль
∑SS=∑ЭВ+∑ЦЭ+∑ГП=9677434800+148196012+960945282=10786576094=11 млрд руб/год.
32. Прибавка питьевой воды на каждой исключённой промывке
∑dW=4*(U+Qд)*∑N=4*(136+13,5)*5478=3275844 м3/сут=1,2 млрд м3/год.
33. Необходимые средства на реализацию технологии структуризации на всех фильтрах
∑CN=4*C*∑N=4*178750*5478=3916770000 руб=4 млрд руб.
34. Срок окупаемости
О=∑СN/∑SS=3916770000/10786576094=4,4 месяца.
Дополнение
1. Если прибыль Водоканала на водоочистке (по скорым фильтрам) реальна 600 млн руб/год, то дополнительная прибыль на исключении одной промывки скорых фильтров 84,7 млн руб/год составит около 84,7/600*100 %=15 %. Это солидная прибавка к прибыли Водоканала. А если ещё и скорости фильтрования увеличить (производительность), то прибыль от структуризации может подскочить до 50 % и более. Выгода от технологии структуризации песка несомненна.
2. Структуризация из состава технологий Дельта-фильтрования делает ненужным строительство новых скорых фильтров, или сокращает объём их строительства, экономя ещё огромные средства на капитальных вложениях.
3. Технология структуризации фильтрующей загрузки скорых фильтров может исключать необходимость строительства новых станций осветления воды на основе негибких в модернизации контактных осветлителей АКХ (Академии коммунального хозяйства), поскольку скорые фильтры с устройством структуризации способны работать не только в обычном для них режиме, но и в более эффективном по производительности режиме, чем у контактных осветлителей АКХ, а также в безреагентном режиме. Структуризация делает скорые фильтры гибкими в эксплуатации, отзывающимися как на запросы высокой производительности, защиты питьевой воды от коагулянтов и флокулянтов, так и на колебания качества исходной воды по сезонам года путём изменения оператором степени структуризации фильтрующей загрузки (например, вентилем на воздушном микроотверстии 16 согласно рис. 1). .
4. Применение всего комплекса операций Дельта-фильтрования обеспечивает не только сохранение естественного содержания ессенциальных (жизненно важных) микроэлементов в питьевой воде, защиту водоводов от коррозии, повышение производительности скорых фильтров, но и снижение капитальных затрат на строительство новых станций производства питьевой воды с учётом ужесточения требований к её качеству.
5. Работа технологии Дельта-фильтрования в сельскохозяйственном водоснабжении с его водопотреблением ~20 млн м3/сут - это добавка по России не менее 25 % к рассчитанной прибыли.
Примечания
1. В ТЭО не учтена экономия на трудозатратах и др. элементах, в т.ч. первого этапа.
2. ТЭО подлежит корректировке на основе динамики во времени исходных данных.
Использованная литература
1. Ищенко Ю.А. Явление и технология дельта-фильтрования природных и сточных вод. Волгоград, 1997.
2. Ищенко Ю.А. Описание изобретения к патенту RU 2749272. Способ интенсификации ресурсосберегающим дельта-фильтрованием технологий водоподготовки. 2021.
3. Давлетшина Г.И., Ищенко А.Ю.,Ищенко Ю.А. Описание изобретения к патенту RU 2405614. Фильтр с автоматической структуризацией зернистой загрузки для жидкостей. 2010.
© Ищенко Ю. А., 2023
+7-905-399-69-06 - Юрий Алексеевич Ищенко - linza2004@mail.ru. Из послужного списка: в периоде с 1977 по 1999 год (г. Волгоград) - профессор, заведующий кафедрой сельскохозяйственного водоснабжения, декан гидромелиоративного ф-та ВСХИ (благодарность ректора за становление и развитие ГМФ, в т.ч. внимание лабораториям), содействовал научным взлётам коллег; ранее, с 1962 года - в НИМИ (г. Новочеркасск): научный рук-ль и исп-ль крупных исследований и внедрений на водохозяйственных объектах СССР, наиболее значимые из них поисковые методом ЭГДА с н.-т. отчётами для проектных институтов - защита р. Ахтубы от загрязнения промстоками Волжского химкомбината, водоснабжение Алтайского тракторного завода, г. Гудермеса Чечни и г. Краснодара, дренажные защиты плотины Краснодарского в-ща и прилегающих территорий (на их основе - уч. степень к.т.н. и в 1975 году присвоено уч. звание доцента, в 1977 году приглашён из НИМИ на ГМФ ВСХИ как известный учёный); в 1983 году представлял ВСХИ экспонатом изобретения на Лейпцигской ярмарке; с 1992 года инициировал (через НПК «Оникс» рекламами в СМИ и внедрениями авторских водоочистных установок) масштабное, по запросам, совершенствование водопроводов СНГ; квалификация - инженер-гидротехник по специальности гидромелиорации, единственный автор ряда изобретений (к Серебру ВСШ добавился нагрудный знак «Изобретатель СССР», награждён торжественно вручённым значком «Отличник изобретательства и рационализации ВОИР»), учебных пособий и монографии; научная специализация - технологии очистки воды и промстока, природоохрана, гидроэнергетика, математическое моделирование на аналоговых и цифровых моделях установившейся и нестационарной фильтрации жидкостей, научно обоснованное гидравлическое структурирование песчаных загрузок водоочистных фильтров - усреднение/инвертирование раскладки зёрен по высоте неоднородной загрузки, безреагентная/реагентная очистка воды высокоскоростным дельта-фильтрованием (ДФ), метрология, научно-экспериментальные методы, экспертиза инноваций в водоснабжении, экологии и гидродинамике; в условиях лихих лет становления РФ, в т.ч. ВСХИ, защитил ДФ от известной попытки соавторства объединением поданных к публикации статей; официально удостоверено развитие н.-т. достижений в области ДФ кропотливой бригадой династических специалистов, сущность которой «Научная династия ДФ»; + АВТОРИТЕТНЫЕ ОЦЕНКИ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИХ ДОСТИЖЕНИЙ ТВОРЧЕСКОГО ПОДХОДА.
|
