СПОСОБ ОЧИСТКИ МУТНЫХ ВОД ОБРАБОТКОЙ КАТИОННЫМ ФЛОКУЛЯНТОМ В ПОДАЮЩЕМ ТРУБОПРОВОДЕ Российский патент 1997 года по МПК C02F1/52 B01D21/08 

Изобретение относится к способам очистки воды поверхностных водоисточников и может быть использовано в области хозяйственно-питьевого или технического водоснабжения, в частности при очистке мутных вод.

Известен способ использования катионного флокулянта, заключающийся в том, что он вводится в смеситель, затем обработка идет в камере хлопьеобразования, отстойнике или осветлителе со взвешенным осадком и, наконец, в фильтре. Рекомендуются следующие гидравлические условия обработки воды фокулянтом, на которые рассчитаны обычные водоочистные сооружения:
быстрое перемешивание в смесителе при значении среднеквадратичного градиента скорости 200 1000 с^-1, время 1 2 мин;
медленное перемешивание в камере хлопьеобразования с градиентом скорости 25 45 с^-1, время перемешивания 20 30 мин.

Достижению технического результата препятствует отсутствие оптимальных условий хлопьеобразования, в процессе которого осуществлялось бы глубокое осветление воды с образованием быстрооседающей взвеси.

Известен способ осуществленный Ростовским НИИ АКХ на водопроводах Юга России для очистки мутных поверхностных вод (г.Пятигорск, г.Нефтекумск, г. Черкесск и др.). Флокулянт ВПК-402 вводился на водоочистные сооружения перед смесителем; в нем, а также в камере реакции выдерживались обычные гидравлические условия, такие же, как при обработке воды минеральными коагулянтами.

Достижению технического результата препятствует то, что стандартные гидравлические условия в процессе флокуляции не позволяют загрязнениям агрегатироваться в частицы с достаточной гидравлической крупностью для осаждения в отстойниках. Задержание взвешенных веществ происходило в основном в фильтрах. Максимальный эффект осветления воды в отстойниках не превышал 30 - 50%
Известны попытки улучшить процесс осветления воды, обработанной флокулянтом, при отстаивании были предприняты в работе. В процессе проведения экспериментальных исследований моделировалось и показано влияние продолжительности и интенсивности смешения при добавлении фокулянта в обрабатываемую воду различной мутности.

Достижению технического результата препятствует отсутствие моделирования по режиму хлопьеобразования. Известно, что седиментационные свойства образующейся хлопьевидной взвеси зависят не только от выдерживания необходимых параметров смешения, но и в большей степени от параметров хлопьеобразования.

Известен способ (1) осветления воды, заключающийся в том, что воду вводят в контакт с измельченным минералом, в частности с глиной. Для ускорения хлопьеобразования затем в воду добавляют полиэлектролит (флокулянт), преимущественно содержащий полимерный катион. При этом достигается более глубокое осветление воды путем отстаивания, чем при добавлении одного реагента, в том числе при добавлении одного полиэлектролита. Так, приемлемое осветление воды отстаиванием до мутности 0,22 1,3 NTU при исходной воде 3 - 33 NTU осуществлялось при следующих дозах реагентов:
мелкодисперсного магнетита 10 мг/л;
катионного полиэлектролита марки 7-810 или С-573 0,2 0,5 мг/л.

Достижению технического результата препятствует сложность обработки - необходимо контролировать работу оборудования для приготовления и ввода одновременно двух реагентов -суспензии измельченного минерала и катионного полиэлектролита. Особую сложность представляет приготовление и ввод суспензии минерала. Исследования проводились только в лабораторных условиях. На промышленных объектах этот способ не был реализован, поэтому отсутствует материал, подтверждающий его эффективность.

Наиболее близким по технической сущности предлагемому объекту является способ (2) использования катионного флокулянта для очистки воды, реализованный в процессе производственных испытаний. Флокулянт Ba-2 вводился в трубопровод непосредственно перед осветлителем со слоем взвешенного осадка.

Достижению технического результата препятствует то, что в прототипе не были обоснованы оптимальные гидравлические условия процесса хлопьеобразования при использовании флокулянта. Испытания осуществлялись на сооружениях для осветления воды, запроектированных и предназначенных под использование минеральных коагулянтов.

Для достижения технического результата предлагается оптимизация агрегатирования взвеси в мутной воде для улучшения осаждения.

Технический результата достигается тем, что способ очистки мутных вод включает обработку катионным флокулянтом в подающем трубопроводе. При этом флокулянт вводят в трубопровод или в воду перед подачей ее в трубопровод, используемый для смешения и агрегатирования взвешенных веществ, на расстоянии 500 6000 м до отстойников с достижением градиента скорости в трубопроводе 68 346 с^-1 и времени обработки 0,13 33 ч. При наличии на трубопроводе насосов для дополнительных подъемов воды флокулянт вводят перед одним из них.

Градиент скорости вычислен по известной формуле:

( В. А. Клячко, И.Э. Апельцин.Очистка природных вод. М.Стройиздат,1971, с. 101 104),
где W удельный расход мощности на 1 м³ емкости камеры хлопьеобразования, которая представляет собой трубопровод;
m абсолютная вязкость воды.

Для трубопровода:

где q расход воды по трубопроводу, м³с;
H потери напора, м;
V объем воды в трубопроводе, м³.

Следовательно, градиент скорости зависит от:
потерь напора воды в трубопроводе,
расхода воды,
вязкости, которая в свою очередь зависит от температуры воды,
объема воды в водоводе, который в свою очередь зависит от его длины и диаметра.

Потери воды зависят от скорости движения воды, состояния внутренних стенок трубопровода, его поверхности, наличия обрастаний, местных сопротивлений (сужений, поворотов и пр.).

Во многих случаях подача воды из поверхностных водоисточников на водоочистные сооружения осуществляется по трубопроводам на значительные расстояния. Предлагаемый способ основывается на проведении процесса смешения и агрегатирования в подающем трубопроводе, или же проведение процесса смешения флокулянта с водой в насосе, а агрегатирования взвеси в подающем трубопроводе.

Основной причиной улучшения условий флокуляции при обработке в трубопроводе является наличие в нем двух зон, резко отличающихся по гидравлическим условиям:
пристеночная зона с интенсивными турбулентными пульсациями,
центральная зона относительно спокойная, с умеренными пульсациями.

В центральной зоне происходит формирование агрегатов из частиц взвесей путем связывания их полимерными мостиками, а в пристеночной зоне частичное разрушение неустойчивых агрегатов или отрыв наиболее слабых звеньев. Постоянный обмен массами воды между этими зонами способствует многократному протеканию процессов формирования и частичного разрушения агрегатов и конечному образованию частиц с наиболее прочными полимерными мостиками, способными к дальнейшему укреплению и оседанию в отстойниках.

Обоснованием выбранных пределов является следующее. Граничные параметры обработки воды в трубопроводе, указанные в материалах заявки, определены путем моделирования на специальном устройстве (см. материалы заявки N 95100022 от 5 января 1995 г.), а также расчетом. Основным критерием для выбора граничных параметров была мутность отстоенной воды, полученная при моделировании.

Результаты моделирования для различных условий работы стальных трубопроводов приведены в табл. 1.

Ниже значений: время обработки 0,13 ч (8 мин), длина трубопровода 500 м
не достигается мутность отстоенной воды 8 12 мг/л, которая приемлема согласно СНиП 2.04.02-84 "Водоснабжение. Наружные сети и сооружения" для подачи воды на скорые фильтры.

При значениях этих параметров выше верхних пределов: время обработки 33 ч (2000 мин), длина трубопровода 60000 м начинается ухудшение качества воды по мутности в результате разрушения агрегатированной взвеси от длительного транспортирования по трубопроводу.

При меньшем градиенте скорости (<68 с^-1) не достигается заданный эффект осветления. Верхний предел этого показателя определить не представляется возможным, хотя он и должен существовать, но лежит за реальными величинами скоростей потока для трубопроводов подачи воды.

В табл. 1 расчетные значения градиентов скорости вычислены для новых трубопроводов, без обрастаний. При этом в расчет принимались потери напора в трубопроводах (для вычисления градиентов скорости) по данным справочных материалов (см. номограмму расчета стальных водопроводных труб, Курганов А.М. Федоров Н. Ф. "Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации.Л.Стройиздат,1978, с. 347).

Верхний предел градиента скорости в этой заявке принят не как предел, после которого имеет место повышение мутности обработанной воды, а как максимальный, полученный при опытной проверке предлагемого способа в процессе производственных испытаний. Согласно приведенному примеру 2, он составляет 346 с^-1. Значений градиента скорости более 346 с^-1 не было достигнуто на реальных водопроводах, так как они экономически будут не оправданными по величине потерь напора воды в трубопроводе и, следовательно, по затратам энергии.

Отличием предлагаемого изобретения от прототипа является введение флокулянта в трубопровод или воду перед подачей в трубопровод, используемый для смешения и агрегатирования взвешенных веществ на расстоянии 500 60000 м. В нем процесс обработки должен идти в течение 0,13 33 ч при градиенте скорости 68 346 с^-1.

При наличии насосов для дополнительного подъема воды флокулянт вводят перед одним из них, причем,например,расстояние после точки ввода флокулянта, время обработки в трубопроводе и градиент скорости должны соблюдаться теми же.

Таким образом, предлагемое изобретение соответствует требованию новизны.

Доказательством соответствия рассматриваемого изобретения требованию изобретательского уровня сможет служить следующее: введение флокулянта в трубопровод или в воду перед подачей в трубопровод на указанном расстоянии приводит вначале к смешению флокулянта с водой, а затем на основной его части по длине к агрегатированию взвешенных веществ. Эти процессы происходят при времени обработки 0,13 33 ч и градиенте скорости 68 346 с^-1. При вводе флокулянта перед насосом смешение происходит в насосе, а агрегатирование взвешенных веществ в трубопроводе. Агрегатирование взвешенных веществ в мутной воде указанным способом приведет к более эффективному их осаждению в отстойнике. А все вместе взятое в совокупности позволяет снизить содержание взвешенных веществ в отстоенной воде.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует требованию изобретательского уровня.

Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими сведениями.

Пример 1. На производственных водоочистных сооружениях при проведении сравнительных производственных испытаний осветлению подвергалась вода со следующей характеристикой: взвешенные вещества 8 120 мг/л, щелочность 3 мг-экв/л, температура 1,5 10^oC, общая жесткость 5,5 6 мг-экв/л, pH 8-8,2. Катионный флокулянт ВПК-402 вводился с трубопровод диаметром 1000 мм на расстоянии 3 км до отстойников. Показатели режима движения воды в трубопроводе для вычисления условий, определенных формулой изобретения: подача 2500 м³ч 690 л/с, скорость 0,9 м/с, длина трубопровода 3000 м, потери напора 16,2 м, объем воды в трубопроводе 2440 м³.

Время обработки в трубопроводе 3000 м 0,9 м/с 3333 с=0,9 ч.

В отстойниках вода отстаивалась в течение 1,5 ч, взвешенные вещества в исходной и осветленной воде определялись весовым способом.

Результаты осветления воды в отстойниках при вводе флокулянта в трубопровод приведены в табл. 2.

Они показывают, что использование флокулянта по предлагаемому способу позволяет получить степень осветления воды, приемлемую для подачи на скорые фильтры (5,0 мг/л и ниже).

Пример 2. На производственных водоочистных сооружениях N 2 г.Ростов-на-Дону (пос. Александровка) осветлялась вода по предлагаемому способу со следующими показателями: взвешенные вещества 53 мг/л, общая жесткость 5 мг-экв/л, щелочность 3 мг-экв/л, pH 8,0. Катионный флокулянт ВПК-402 вводился в трубопровод диаметром 1000 м на расстоянии 1,9 км до отстойников. Показатели режима движения воды в трубопроводе для вычисления условий, определенных формулой изобретения: подача 800 л/с, диаметр трубопровода 1000 мм, длина трубопровода 1900 м, скорость движения воды 1,02 м/с, потери напора в трубопроводе 29 м, абсолютная вязкость воды при t=10^oC, μ0,013 Пз. объем воды в трубопроводе 1900•0,785=190 м³, время обработки в трубопроводе 0,52 ч.

Удельные затраты энергии на перемешивание воды в камере хлопьеобразования, которая представляет собой водовод:

Время обработки в трубопроводе: 1900:1,02=1870 с=0,52 ч. В осветленной воде содержание взвешенных веществ составляло 2,5 мг/л.

Таким образом, при данных значениях параметров обработки воды в трубопроводе обеспечивается достаточно глубокое осветление воды в отстойниках. Высокие потери напора в трубопроводе и соответственно градиент скорости объясняется высоким гидравлическим сопротивлением вследствие значительных отложений и обрастаний стенок трубопровода ракушкой.

Доказательством соответствия предлагемого изобретения требованию промышленной применимости может быть следующее.

Предлагемый способ может быть использован при очистке мутных вод для получения воды питьевого или технического качества.

Возможность реализации предлагаемого изобретения при его осуществлении отражена сведениями раздела заявки, подтверждающими возможность осуществления способа.

Предлагаемый способ при его осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в оптимизации процесса агрегатирования взвеси мутной воды и улучшения ее осаждения в отстойниках.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует требованию промышленной применимости.

Использование: изобретение относится к способам очистки воды поверхностных источников. Сущность изобретения: флокулянт вводят в трубопровод или в воду перед подачей ее в трубопровод, который используют для смешения флокулянта с водой и агрегатирования взвешенных веществ. При этом расстояние от точки ввода флокулянта до отстойников составляет 500 - 60000 м, градиент скорости в трубопроводе 68 - 246 с^-1, время обработки 0,13 - 0,33 ч. При наличии на трубопроводе насосов для дополнительных подъемников воды флокулянт вводят перед одним из них. Достигаемый технический результат - оптимизируется процесс агрегатирования взвеси мутной воды и улучшается ее осаждение в отстойниках. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ очистки мутных вод обработкой катионным флокулянтом в подающем трубопроводе, отличающийся тем, что флокулянт вводят в трубопровод или в воду перед подачей ее в трубопровод, используемый для смешения и агрегатирования взвешенных веществ, на расстоянии 500 60000 м до отстойников с достижением градиента скорости в трубопроводе 68 346 с^- 1 и времени обработки 0,13 33 ч. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при наличии на трубопроводе насосов для дополнительных подъемов воды флокулянт вводят перед одним из них.