Замкнутый цикл водоснабжения мегаполиса с использованием дистиллированной воды

1. Рассмотрим замкнутый цикл водоснабжения мегаполиса, основанный на использовании дистиллированной воды, который будет включать в себя следующие основные элементы 1. Станция водоподготовки, на которой вырабатывается дистиллированная вода, которая поступает в общий замкнутый цикл 2. Станция минерализации, которая использует дистиллированную воду из общего замкнутого цикла для ее минерализации и получения питьевой воды (холодной и для производства горячей) 3. Котельная, которая вырабатывает горячую питьевую воду, получаемую от станции минерализации, и отдельно использует дистиллированную воду для отопления 4. Станция очистки бытовых сточных вод, которая очищает сточные воды после использования, а полученную дистиллированную воду направляет в общий замкнутый цикл (также при необходимости она может очищать воду из системы отопления). 1) Оптимальный рабочий режим замкнутого цикла — принципы и алгоритм Ключевая идея: максимизировать возврат воды в общий «дистиллят-пул» и минимизировать потери (утечки, испарение, выброс концентратов), при этом сохранить требуемое качество питьевой и технологической воды. Работает так: 1. Станция водоподготовки (дистиллят) • Непрерывная выработка дистиллята в объёме, покрывающем базовый городской спрос + технологические потери/подстраховку. • Пермеат/дистиллят идёт в общий «буферный пул» (герметичные резервуары, онлайн-контроль качества). Приоритет — стабильность качества и объёма. (RO→MED/дистилляция + рекуперация тепла). 2. Станция минерализации (централизованная) — формирование потребительских потоков • Из общего пула дистиллята формируются два потока: холодная питьевая (60%) и горячая питьевая / ГВС (40%). Минерализация дозируется по рецепту, для ГВС профиль мягче (меньше Ca/HCO₃). • После минерализации — финальная УФ/полировка и подача в распределительную сеть или на подогрев в котельную. 3. Котельная / система горячего водоснабжения и отопления • Горячая питьевая вода нагревается в котельной (или централизованно в ТЭЦ/котельной района). Важное требование — максимальный возврат конденсата/конденсата ГВС в «пул». • Для отопления (если используется дистиллят как теплоноситель) — закрытый контур с конденсато/возвратом, минимальным выбросом пара и регулярной обработкой (химия, дозирование ингибиторов коррозии). 4. Станция очистки бытовых сточных вод (Центр рециклинга) • Собирает все возвратные потоки (канализация бытовая, конденсат котельной,

2. промывочные воды минерализации, промывки мембран и т.п.). • На входе — грубая очистка → физико-химическая предобработка (если надо) → мембранные ступени (UF/RO) → MED (если целим получить дистиллят). Концентраты и осадки обезвоживаются и/или направляются на кристаллизацию/утилизацию. 5. АСУ и оперативная логика • Централизованная SCADA: баланс потоков, пресс-триггеры по запасам в буферах, аварийный перевод на резервный источник, управление возвратом конденсата. • Правило «сначала вернуть всё, что можно вернуть»: любой возвратный поток идёт на повторную очистку, если его качество/концентрат и объём делают утилизацию целесообразной. 2) Где и почему происходят потери — основная разбивка (ориентиры) 1. Потери в распределительной сети (утечки + нелегальные подключения) ○ Типично: 1–10% (в современных системах 1–5%; в старых сетях — до 20–30%). ○ Причины: изношенные трубопроводы, аварии, неправильное давление. ○ Меры: модернизация сети, сегментация и дистанционное обнаружение утечек, снижение напоров, резиновая арматура, программы активного управления давлением. 2. Потребительские «невозвратные» потери (использование, испарение, инкорпорация в продукты) ○ Типично: 2–8% (включает приготовление пищи, потерю в продуктах, бассейны, автопромывка, испарение из систем охлаждения и т. п.). ○ Для большого мегаполиса часть воды «инкорпорируется» в продукты/пищу/строительство; расстояние варьирует. ○ Меры: экономия воды, повторное использование для полива и технических нужд. 3. Потери на этапе минерализации (промывки, промывки картриджей, сбросы при регулировке) ○ Типично: 0.1–1% (в основном потери на промывку/обслуживание, замены картриджей, обратные промывки). ○ Минерализация сама по себе воды не «сжигает» — добавляет соли; но промывки/замены расходуют небольшие доли. ○ Меры: рекуперация промывочных вод, оптимизация режима промывок, возврат промывок в станцию очистки. 4. Потери в котельной / при нагреве (пар, испарение, blow-down котлов) ○ Типично: 1–10% от горячего потока (зависит от качества возврата конденсата и типа системы). ○ Детали: бойлерный blow-down (регулярное удаление концентрата) 1–5% типично; не возврачен конденсат (утечки, утечка паром) добавляет ещё.

3. ○ Меры: возврат конденсата (максимум 85–98%), энергорекуперация, снижение blow-down за счёт деаэрации и мягчения воды, улучшение теплоизоляции. 5. Потери в станции очистки сточных вод (шламы, концентраты, испарение при сушке осадков/кристаллизации) ○ Типично: 5–20% от поступившего сточного объёма (вода, потерянная как влага в осадках/концентрате и при утилизации). ○ Пояснение: при мембранной обработке есть концентрат/бриня — recovery RO/MED обычно 70–95% в зависимости от схемы; остаток идёт в концентрат/шламы. При термической сушке часть влаги уходит в пар. ○ Меры: повышение recovery RO (пред-обработка + staged RO/ED), использование MED для максимальной рекуперации воды из концентрата, обезвоживание осадков, кристаллизация для извлечения солей и минимизации объёма отхода. 6. Технологические потери вспомогательных потоков (CIP, промывки мембран, промывки фильтров) ○ Типично: 0.5–2%. ○ Меры: закрытые циклы промывок, возврат промывочной воды в предочистку/бак для повторной обработки. 7. Аварийные и непредвиденные потери (разливы, промышленные аварии) ○ Невелико при нормальной эксплуатации, но возможны пиковые события; планировать резервные запасы 5–10% мощности. 3) Рекомендуемые целевые (оптимальные) уровни потерь для хорошо спроектированного мегаполиса (ориентиры для проектирования системы «высокого класса» — с современной насосной станцией, хорошим возвратом конденсата и мембранной схемой) ● Сеть + распределение: ≤ 5% ● Невозвратные потребительские потери (инкорпорация/испарение): ≈ 3–6% ● Минерализация (промывки/обслуживание): ≤ 0.5% ● Котельная / возврат конденсата: потери ≤ 5–8% (при хорошем возврате конденсата 92–95%) ● Сточная станция (нетто-потери при превращении сточных → дистиллят): ≈ 10–15% (зависит от схем; при RO + MED можно снизить ближе к 5–8% для определённых потоков, но это энерго/капиталозатратно). 4) Упрощённый пример масс-баланса на 1 m³ дистиллята Возьмём 1.000 m³ дистиллята, поданного из станции водоподготовки в общий пул. Применяем консервативные целевые ориентиры (оптимизированный кейс): 1. Распределение и потребление

4. ○ Утечки и сеть: 3% → 0.030 m³ утеряно навсегда. ○ Невозвратное потребление (пища, впитывание, испарение): 5% → 0.050 m³ «инкорпорировано/испарено». ○ В итоге возврат в канализацию = 1.000 − 0.030 − 0.050 = 0.920 m³. 2. Сточная станция — очистка → дистиллят ○ Пусть сточная станция использует UF → RO → MED и имеет общий recovery дистиллята 85% от входящего сточного объёма (это реалистично для комбинированной схемы с упором на возврат воды, но требует энергетических и CAPEX затрат). ○ От 0.920 m³ поступает в очистку → 0.782 m³ возвращается в пул (0.920 × 0.85). ○ Потери в очистке (концентраты, шлам, испарение при сушке) = 0.138 m³ (0.920 × 0.15). 3. Буферный пул после очистки ○ В пул возвращено 0.782 m³ дистиллята; суммарно в пуле остаётся 0.782 m³ (плюс новые притоки от водоподготовки плюс возможные привозные резервы). ○ Чистый «дефицит» после одного оборота: 1.000 → вернулось 0.782 → чистая потеря 0.218 m³ (21,8%). Эта «чистая потеря» — совокупность всех непоправимых потерь (утечки+инкорпорация+концентраты/шламы). 4. Влияние котельной ○ Из возвращённого 0.782 m³ предполагаем, что 40% используется как горячая вода (0.313 m³) и 60% как холодная (0.469 m³) ○ Возврат конденсата котельной — допустим 90% (хороший уровень). Значит из 0.313 m³ горячего: 0.282 m³ возвращается в канализацию/пул; 0.031 m³ теряется как blow-down/пар/испарение (и эта 0.031 m³ позже пойдёт на очистку и частично вернётся по recovery 85%). При итерации в стационарном режиме эти потери уже учтены в общем recovery и «чистой потере» выше. 5. Итерационная картина ○ Если цикл многократен, система придёт к стационарному дефициту равному совокупной «чистой потере»/оборот. Для пополнения потребуется либо дополнительная вода из источника (станция водоподготовки генерирует этот дефицит), либо импорт/запас. Итог (для этого примера): ● На каждый 1.000 m³, выпущенный в сеть, ~782 m³ в среднем вернётся в дистиллят-пул после одного полного оборота. ● Чистые потери ≈ 218 m³ / 1000 m³ = 21.8% (включают утечки, инкорпорацию и остаточные концентраты/шламы). ● При улучшении recovery сточной станции (до 90–95%) и снижении потерь в сети до 1–2% этот коэффициент падает существенно (например: recovery 90% + сеть потери 2% + инкорпор. 4% → чистые потери ≈ 12–8%). Важно: эти числа — ориентиры/шаблон. Точные значения очень чувствительны к: качеству сети, доле технических/промышленных нагрузок (которые дают больше невозвратных потерь), параметрам RO/MED

5. (recovery), эффективности возврата конденсата и политике использования промывных вод. 5) Тактические рекомендации для минимизации потерь и увеличения возврата 1. Максимально высокий recovery на станции очистки сточных вод ○ Комбинация предобработки → staged RO → MED / кристаллизация. Цель: recovery ≥ 85–90% для бытовых потоков. Это снизит соль-шламовые потери. 2. Вернуть конденсат в 90–98% для котельной — это даёт один из самых больших выигрышей. ○ Инвестиции в конденсатные сборники, улучшенные теплообменники, герметизацию и мониторинг. 3. Снижение сетевых потерь ○ Приоритет: обследование и санация «горячих точек» утечек, секционирование, давление-менеджмент. Двигаться к <5% потерь. 4. Замкнутые/рециркуляционные схемы для промывок и CIP ○ Возврат промывной воды в предочистку, либо отдельная паспортизация и возврат в сточную для концентрированной переработки. 5. Разделение потоков по качеству ○ Чистые возвраты (конденсат, деионизованные пермеаты) — напрямую в пул. Грязные промывки — в предобработку сточной станции. Это уменьшит нагрузку и улучшит recovery. 6. Системы утилизации концентратов → минимизация объёма отхода ○ Кристаллизация, выпаривание, извлечение полезных солей (иногда экономически оправдано) уменьшает объём «водных» потерь. Рассчитаем суточную производительность станции водоочистки на восполнение потерь при условии, что 1 человек потребляет в сутки на бытовые нужды 300 литров воды (40% горячая), а в систему отопления запитано 50 тыс. м³ дистиллята. Входные допущения 1. Население микрорайона = 100 000 чел. 2. Суточное бытовое потребление на человека = 0.3 m³/чел·сут (300 л) → суммарно 30 000 m³/сут. 3. Доля горячей бытовой воды = 40% от суточного потребления. 4. Станция минерализации теряет на промывки и обслуживание 0.5% от поданного дистиллята. 5. Потери в распределительной сети (утечки) = 3% от объёма, направленного в сеть.

6. 6. Невозвратные потребительские потери (инкорпорация/испарение и пр.) = 5% от объёма, направленного в сеть. 7. Потери в котельной по бытовому горячему водоснабжению (blow-down, невозврат паром) = 2% от потока горячей бытовой воды. 8. Станция очистки бытовых сточных вод (WWTP) даёт 85% recovery — т.е. 85% от поступившего стока возвращается в пул в виде дистиллята. 9. Отдельный отопительный контур (использует чистый дистиллят) имеет циркулирующий объём 50 000 m³. Потери отопительного контура принимаем параметрически: рассмотрим три варианта ежедневного относительного расхода/потерь r = 0.5% / 1% / 3% (эти проценты — доля объёма сети, теряемая в сутки: утечки, blow-down, испарение, слив при ремонтах и т.п.). 10. Считаем, что вода, утерянная из отопительного контура, попадает в канализацию и идёт на WWTP (т.е. затем 85% этой величины возвращается). (Если часть отопительных потерь испаряется в атмосферу и не поступает в канализацию, результат изменится — я покажу и этот вариант отдельно.) Шаги расчёта A. Базовые объёмы 1. Суточная выработка/подача дистиллята на минерализацию = 30 000 m³/сут. B. Минерализация 2. Потери минерализации = 0.5% × 30 000 = 150.0 m³/сут. 3. Объём, отправленный в распределение (после минерализации) = 30 000 − 150 = 29 850.0 m³/сут. C. Потери в сети и у потребителя 4. Потери в сети = 3% × 29 850 = 895.5 m³/сут. 5. Невозвратные потребительские потери = 5% × 29 850 = 1 492.5 m³/сут. D. Бытовая горячая вода — котельные потери 6. Поток бытовой горячей воды = 40% × 29 850 = 11 940.0 m³/сут. 7. Потери котельной (по бытовому ГВС) = 2% × 11 940 = 238.8 m³/сут. E. Объём, поступающий на WWTP (в канализацию) 8. Возврат в WWTP = 29 850 − (895.5 + 1 492.5 + 238.8) Сумма вычетов = 895.5 + 1 492.5 + 238.8 = 2 626.8 m³/сут. → Возврат в WWTP = 29 850 − 2 626.8 = 27 223.2 m³/сут. F. WWTP → возврат дистиллята

7. 9. Возврат из WWTP в виде дистиллята = 85% × 27 223.2 = 23 139.72 m³/сут. G. Чистая потеря от распределительной цепочки (без отопления) 10. Чистая потеря (distribution cycle) = 30 000 − 23 139.72 = 6 860.28 m³/сут. (Это уже включает потери минерализации, сетевые утечки, потребительские потери, потери котельной по ГВС и WWTP recovery.) H. Учитываем отопительный контур (50 000 m³ circulating) Пусть относительная дневная потеря отопительного контура = r. Тогда: 11. Абсолютные суточные потери отопления = L_heat = r × 50 000 m³. 12. Предположение: эти потери попадают в канализацию и идут на WWTP; следовательно net_loss_heat = L_heat × (1 − 0.85) = L_heat × 0.15. (Если же отопительные потери НЕ попадают в WWTP — напр., часть уходит паром в атмосферу и не возвращается — тогда net_loss_heat = L_heat.) Вычислим для трёх сценариев r: ● r = 0.5% = 0.005 L_heat = 0.005 × 50 000 = 250.0 m³/сут. Net_heat = 250 × 0.15 = 37.5 m³/сут. ● r = 1% = 0.01 L_heat = 0.01 × 50 000 = 500.0 m³/сут. Net_heat = 500 × 0.15 = 75.0 m³/сут. ● r = 3% = 0.03 L_heat = 0.03 × 50 000 = 1 500.0 m³/сут. Net_heat = 1 500 × 0.15 = 225.0 m³/сут. I. Итог — суммарная чистая суточная потребность (make-up), которую должна давать станция водоподготовки Суммарный net make-up = (чистая потеря распределительной цепочки) + (net_heat) ● При r = 0.5%: 6 860.28 + 37.5 = 6 897.78 m³/сут → ≈ 6.90 тыс. m³/сут. ● При r = 1%: 6 860.28 + 75.0 = 6 935.28 m³/сут → ≈ 6.94 тыс. m³/сут. ● При r = 3%: 6 860.28 + 225.0 = 7 085.28 m³/сут → ≈ 7.09 тыс. m³/сут. Альтернативный (консервативный) расчёт — если отопительные потери не поступают в WWTP Если отопительные потери полностью теряются в атмосферу или выводятся и не идут в канализацию, тогда net_heat = L_heat (без recovery). Тогда:

8. ● r = 1% → net_heat = 500 → total = 6 860.28 + 500 = 7 360.28 m³/сут. (т.е. примерно +~425 m³/сут больше по сравнению с вариантом, где отопительные потери возвращаются на WWTP и там частично восстанавливаются.) Выводы и замечания 1. Практический ориентир: при указанных допущениях станция водоподготовки должна производить ≈ 6.9–7.1 тыс. м³/сут дополнительного дистиллята, чтобы восполнять суточные чистые потери системы (в зависимости от реальных потерь отопительного контура). 2. Чувствительность: главный вклад в make-up даёт сочетание: WWTP recovery (85%) и суммарные потребительские/сетевые потери; отопительный контур в наших сценариях даёт сравнительно небольшой вклад, если его потери попадают в канализацию и далее частично восстанавливаются WWTP. 3. Если отопительные потери не возвращаются в WWTP (steam venting, выбросы и т.п.), то требуемая производительность может увеличиться на сотни кубов в сутки (в примере r=1% рост ≈ 500 → net +500 m³/сут). 4. Рекомендации для снижения make-up: повысить recovery WWTP (с 85% → 90%/95%), снижать сетевые утечки (с 3% → 1–2%), уменьшать потребительские невозвратные потери (просвещение/рециркуляция), а также свести потери отопительного контура к минимуму (герметизация, возврат конденсата). Малые улучшения дают значительный экономический эффект.