Проектування модульних станцій водоочищення

Це практичний посібник з етапів проектування модульних станцій водопідготовки — від аналізу вихідної води до введення в експлуатацію. У тексті наведено методики підбору блоків передочистки, модулів систем зворотного осмосу (RO), насосного обладнання, автоматики та критерії валідації. Матеріал орієнтований на інженерів-проектувальників, замовників та менеджерів по продукту.

1. Етапи проекту (огляд)

1. Отримання ТЗ та вихідних даних.
2. Аналіз вхідної води (лабораторний звіт).
3. Вибір технологічної схеми (передочистка → RO/UF/NF → постобробка).
4. Гідравлічний розрахунок та підбір насосів (Q/H, NPSH).
5. Інженерні креслення та специфікації модулів.
6. Автоматика, телеметрія та SCADA-інтеграція.
7. Заводське складання та контроль (FAT).
8. Монтаж, налагодження та валідація на об'єкті (SAT).
9. Передача документації та навчання персоналу.

2. Збір вихідних даних - що обов'язково потрібно дізнатися

Без точних даних проект приречений на помилки. Зберіть:

• Аналіз вхідної води: TDS, жорсткість (Ca/Mg), хлор, залізо, марганець, нітрати, органіка (COD/BOD/TOC), каламутність, колоїди, мікробіологія, температура.
• Вимоги до вихідної води: TDS, питний стандарт, технічна вода для виробництва тощо
• Потрібна продуктивність: л/год, м³/год та пікові навантаження.
• Умови на майданчику: доступність електроенергії, тиск у мережі, температура навколишнього середовища, комунікації (водопровід, каналізація).
• Обмеження щодо відведення концентрату (екологічні вимоги).

3. Вибір технологічної схеми

Типова схема для питної води:

Введення → Механіка → Вугілля → Пом'якшення/Знезалізнення → Насос подачі → RO → Мінералізація → УФ

У промислових рішеннях можливі додаткові ступені: коагуляція, піщані фільтри, мультимедіа, NF, EDI для полірування, системи рециркуляції та рекуператори тиску.

3.1 Правило проектування передочищення

Предочистка повинна захищати мембрани RO: при TSS/мутності > 5–10 мг/л рекомендується піщана фільтрація; за наявності хлору - вугільні фільтри; при твердості - пом'якшення.

4. Гідравлічний розрахунок та підбір насосів

Гідравлічний розрахунок — один із ключових етапів. Необхідні розрахунки з продуктивності (Q), напору (H) та перевірка NPSH.

4.1 Основні параметри

• Q — потрібна продуктивність (м³/год або л/год).
• H — необхідний напір (м або бар), що включає: тиск на вході мембран, втрати на лінії, фільтрах, запірній арматурі та запас 10–15%.
• NPSH available та NPSH required — перевіряються для запобігання кавітації.

4.2 Простий приклад розрахунку напору для RO

Дано: потрібно Q = 1 м³/год (≈16.7 л/хв). Параметри:

• Потрібний робочий тиск на мембрани: 12 бар (залежно від TDS).
• Втрати в трубопроводі та передфільтрах: 1.5 бар.
• Додатковий запас: 1.5 бар.

Разом H ≈ 12 + 1.5 + 1.5 = 15 бар (≈150 м вод. ст.). Вибираємо насос із робочою точкою Q = 1 м³/год при H ≈ 150 м і перевіряємо NPSH.

4.3 Облік реальних умов

Якщо подача води зі свердловини — треба враховувати вакуум на всмоктуванні та можливі ризики кавітації. При низькому вхідному тиску часто застосовують підвищувальні насоси перед RO.

5. Підбір та компонування модулів (модульність)

Модулі проектуються з урахуванням взаємозамінності та сервісного доступу. Загальні поради:

• Стандартизуйте з'єднання (наприклад, 2" / 3/4" фітинги) та електронні інтерфейси.
• Розміщуйте елементи так, щоб для заміни картриджів і мембран потрібно мінімум демонтажних робіт.
• Закладайте місця для розширення (резервні фланці, точки підключення).

6. Автоматика, датчики та телеметрія

Мінімальний набір датчиків для модульної станції:

• Датчики тиску (вхід/вихід/лампи УФ/насоси).
• Датчики потоку.
• TDS/EC на вході та виході (ключовий параметр для RO).
• Рівні в накопичувальних баках.
• Температурні датчики для контролю умов роботи.

PLC повинен вміти: вимикати насос при аварії, виконувати послідовність промивок, запускати CIP, логувати параметри та надсилати повідомлення (SMS/Email) та/або через MQTT/Modbus у SCADA.

7. Електроенергетика та електробезпека

• Оцініть сумарну потужність двигунів (насоси, компресори, УФ-блоки) та передбачте розподіл за вводами/автоматами.
• Закладайте VFD (частотні перетворювачі) для насосів високого тиску - економія енергії та плавний пуск.
• Обов'язкові: ПЗВ, автоматичні вимикачі, заземлення та блискавкозахист для зовнішніх контейнерів.

8. CIP, хімчистка та регламент обслуговування

9. Валідація та тестування (FAT / SAT)

Перед відвантаженням модульної станції проводять FAT - заводські випробування. На об'єкті виконують SAT та лабораторну валідацію пермеату. Мінімальний пакет тестів:

• Перевірка герметичності та гідравліки (прогін під тиском).
• Перевірка алгоритмів автоматики (аварійні зупинки, логіка промивань).
• Лабораторні аналізи пермеату: TDS, мікробіологія, специфічні показники.

10. Екологія та утилізація концентрату

Обов'язково враховувати параметри концентрату RO та вимоги місцевих органів щодо скидання. Варіанти: скидання в каналізацію (за допустимих показників), локальне очищення концентрату, випарні установки або узгодження з екологією.

11. Приклади специфікацій модулів (таблиця)

12. Контроль якості проекту – чек-лист

• Є актуальний аналіз вхідної води.
• Технічне завдання узгоджено із замовником (продуктивність, якість пермеату).
• Гідравлічний розрахунок проведено з урахуванням втрат і запасу напору.
• Підібрані матеріали, сумісні з хімскладом води.
• Розрахований та узгоджений план з утилізації концентрату.
• Предбачено FAT та SAT з протоколами випробувань.
• Складено регламент ТО та план постачання розхідників.

13. Часті помилки при проектуванні та як їх уникнути

• Недооцінка якості вхідної води → проектуйте на worst-case та залишайте запас з очистки.
• Ігнорування NPSH → перевірте всмоктування насосів та передбачте підвищувальні станції.
• Відсутність резервування модулів → закладіть N+1 для ключових вузлів.
• Слабка автоматика та відсутностіе телеметрії → інтеграція з віддаленим моніторингом знижує простої.

14. Приклад технічного завдання (коротко)

Нижче — шаблон ключових параметрів для ТЗ на модульну станцію:

• Продуктивність: ___ м³/год (середня) / ___ м³/год (максимальна).
• Якість вхідної води: додається лабораторний звіт.
• Якість вихідної води: TDS ≤ ___ мг/л, мікробіологія — відсутність перевищень.
• Температурний діапазон експлуатації: ___ °C.
• Електроживлення: ___ V, ___ Hz.
• Вимоги до автоматики та інтеграції: Modbus/MQTT/SCADA.
• Вимоги щодо FAT/SAT та валідації: так/ні + протоколи.

15. Зразковий регламент здачі проекту

1. Постачання та візуальна перевірка комплектів.
2. FAT (заводський тест) — протокол та відеофіксація.
3. Доставка, встановлення та підключення на об'єкті.
4. SAT – тести під робочими навантаженнями, лабораторні проби.
5. Передача документації: паспорти, схеми, регламенти ТО.
6. Навчання персоналу та передача паролів/доступів.

16. Висновок

Проектування модульної станції — це системне інженерне завдання, яке потребує точних вхідних даних, грамотного гідравлічного розрахунку, стандартизованого компонування модулів та продуманої автоматики. Модульний підхід знижує ризики та терміни введення в експлуатацію, але не звільняє від необхідності ретельної проектної роботи та валідації, особливо для систем зворотного осмосу, де правильний підбір передочищення та насосного обладнання безпосередньо впливає на термін служби мембран та економіку проекту.