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
Станция водоподготовки, на которой вырабатывается дистиллированная вода, которая поступает в общий замкнутый цикл
Станция минерализации, которая использует дистиллированную воду из общего замкнутого цикла для ее минерализации и получения питьевой воды (холодной и для производства горячей)
Котельная, которая вырабатывает горячую питьевую воду, получаемую от станции минерализации, и отдельно использует дистиллированную воду для отопления
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:
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).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.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).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.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)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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):
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.
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).
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).
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.
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
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.
Вернуть конденсат в 90–98% для котельной — это даёт один из самых больших выигрышей.
Инвестиции в конденсатные сборники, улучшенные теплообменники, герметизацию и мониторинг.
Снижение сетевых потерь
Приоритет: обследование и санация «горячих точек» утечек, секционирование, давление-менеджмент. Двигаться к <5% потерь.
Замкнутые/рециркуляционные схемы для промывок и CIP
Возврат промывной воды в предочистку, либо отдельная паспортизация и возврат в сточную для концентрированной переработки.
Разделение потоков по качеству
Чистые возвраты (конденсат, деионизованные пермеаты) — напрямую в пул. Грязные промывки — в предобработку сточной станции. Это уменьшит нагрузку и улучшит recovery.
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
Население микрорайона = 100 000 чел.
Суточное бытовое потребление на человека = 0.3 m³/чел·сут (300 л) → суммарно 30 000 m³/сут.
Доля горячей бытовой воды = 40% от суточного потребления.
Станция минерализации теряет на промывки и обслуживание 0.5% от поданного дистиллята.
Потери в распределительной сети (утечки) = 3% от объёма, направленного в сеть.
Невозвратные потребительские потери (инкорпорация/испарение и пр.) = 5% от объёма, направленного в сеть.
Потери в котельной по бытовому горячему водоснабжению (blow-down, невозврат паром) = 2% от потока горячей бытовой воды.
Станция очистки бытовых сточных вод (WWTP) даёт 85% recovery — т.е. 85% от поступившего стока возвращается в пул в виде дистиллята.
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.).
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
Суточная выработка/подача дистиллята на минерализацию = 30 000 m³/сут.
B. Минерализация
Потери минерализации = 0.5% × 30 000 = 150.0 m³/сут.
Объём, отправленный в распределение (после минерализации) = 30 000 − 150 = 29 850.0 m³/сут.
C. Потери в сети и у потребителя
Потери в сети = 3% × 29 850 = 895.5 m³/сут.
Невозвратные потребительские потери = 5% × 29 850 = 1 492.5 m³/сут.
D. Бытовая горячая вода — котельные потери
Поток бытовой горячей воды = 40% × 29 850 = 11 940.0 m³/сут.
Потери котельной (по бытовому ГВС) = 2% × 11 940 = 238.8 m³/сут.
E. Объём, поступающий на WWTP (в канализацию)
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
Возврат из WWTP в виде дистиллята = 85% × 27 223.2 = 23 139.72 m³/сут.
G. Чистая потеря от распределительной цепочки (без отопления)
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:
Абсолютные суточные потери отопления = L_heat = r × 50 000 m³.
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
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).
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.
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).
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.
