Замкнутый цикл водоснабжения мегаполиса с использованием дистиллированной воды⁠⁠

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, 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.

   • 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

   • 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 (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. 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

1. Потери минерализации = 0.5% × 30 000 = 150.0 m³/сут.

2. Объём, отправленный в распределение (после минерализации) = 30 000 − 150 = 29 850.0 m³/сут.

C. Потери в сети и у потребителя

1. Потери в сети = 3% × 29 850 = 895.5 m³/сут.

2. Невозвратные потребительские потери = 5% × 29 850 = 1 492.5 m³/сут.

D. Бытовая горячая вода — котельные потери

1. Поток бытовой горячей воды = 40% × 29 850 = 11 940.0 m³/сут.

2. Потери котельной (по бытовому ГВС) = 2% × 11 940 = 238.8 m³/сут.

E. Объём, поступающий на WWTP (в канализацию)

1. 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

1. Возврат из WWTP в виде дистиллята = 85% × 27 223.2 = 23 139.72 m³/сут.

G. Чистая потеря от распределительной цепочки (без отопления)

1. 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:

1. Абсолютные суточные потери отопления = L_heat = r × 50 000 m³.

2. 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:

• 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.