СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА КОАГУЛЯЦИИ ВОДЫ Российский патент 2011 года по МПК C02F1/52 B01D21/01 C02F103/04 

Изобретение относится к очистке воды и может быть использовано в системах регулирования процессов коагуляции на технологических схемах сооружений для подготовки питьевой воды, например смеситель - камера хлопьеобразования - отстойник - скорый фильтр. В пробе исходной воды, поступающей в смеситель, используя известные экспресс-способы седиментационного анализа взвеси [1] и определения электрофоретической подвижности частиц этой взвеси [2] определяют мутность взвеси M₁, ее гидравлическую крупность ГК₁, а также скорости движения частиц взвеси в вертикальном направлении сверху вниз в постоянном электрическом поле (И₁) и без воздействия постоянного электрического поля (И₂), а затем вычисляют электрофоретическую скорость движения частиц И_э1. По величине И_э1 принимают первоначальную дозу коагулянта Д_к1. Затем, через промежуток времени t_c (время пребывания воды в смесителе) определяют таким же образом электрофоретическую скорость движения частиц И_э2 на выходе воды из смесителя. В соответствии с величиной И_э2, при необходимости, производится корректировка дозы коагулянта, причем такая корректировка может производиться неоднократно (например, Д_к2, Д_к3). Определение первоначальной дозы коагулянта Д_к1 и корректировка Д_к2 и Д_к3 производятся на основании сравнения соответствующих электрофоретических скоростей движения частиц И_э1, И_э2 и т.д. с электрофоретической скоростью движения частиц, характеризующей нижний порог коагуляции И_энпк. Затем с помощью тех же способов, или способа седиментационного анализа в прозрачной дисперсионной среде [3] определяется гидравлическая крупность частиц взвеси в камере хлопьеобразования (КХО) - сначала через промежуток времени t_кхо1, соответствующий по технологическому регламенту времени помутнения и начала образования мелких хлопьев определяется мутность взвеси М₂ и гидравлическая крупность взвеси ГК₂, а через промежуток времени t_кхо2, соответствующий по технологическому регламенту времени начала образования крупных хлопьев, определяется гидравлическая крупность взвеси ГК₃. После этого через промежуток времени t_кxo3, соответствующий по технологическому регламенту времени выхода воды из камеры хлопьеобразования, определяют гидравлическую крупность взвеси ГК₄ и концентрацию взвеси М₃. По этим величинам, при необходимости, корректируется режим работы КХО и определяется режим работы отстойника.

Такие измерения производятся циклами. Периодичность циклов измерений назначается в соответствии с технологическим регламентом эксплуатации сооружений в зависимости от изменчивости качества исходной воды.

Известны способы регулирования процесса коагуляции воды, основанные на определении оптимальной дозы коагулянта. Наиболее распространенным из них является способ пробного коагулирования [4]. Этот способ осуществляется преимущественно в лабораторных условиях путем визуального наблюдения за процессами образования хлопьев в стеклянных цилиндрах с исходной водой, в которые добавляются различные дозы коагулянта. При этом фиксируются различные стадии процесса коагуляции (помутнение, образование мелких хлопьев, крупных хлопьев, начало осаждения). Этот способ является продолжительным, трудоемким и неточным, так как не учитываются реальные условия (температура воды, скорости ее движения в объемах сооружений, равномерность распределения раствора коагулянта по объему обрабатываемой воды и другие). Кроме того, при осуществлении этого способа невозможно следить за ходом процесса коагуляции и осаждения коагулированной взвеси в режиме реального времени, а следовательно, невозможно обеспечивать гибкое управление процессом коагуляции. Таким образом, данный способ является недостаточно надежным.

Известен также способ регулирования процесса коагуляции воды, основанный на контролировании процессов взаимодействия содержащегося в коагулянте чистого алюминия (Al⁺³) с фтором путем измерения остаточного потенциала фтора [5]. При осуществлении этого способа по разнице фонового и остаточного потенциалов фтора определяется количество алюминия в воде (реальная доза коагулянта, на которую не влияют содержащиеся в растворе алюминиевого коагулянта примеси). Таким образом, имеется возможность регулировать дозу коагулянта путем сопоставления с заданной. Этот способ также обладает рядом недостатков. Во-первых, его можно использовать только при применении алюминиевых коагулянтов, а, во-вторых, при осуществлении этого способа также невозможно следить за ходом процесса коагуляции и осаждения коагулированной взвеси в режиме реального времени, а следовательно, невозможно обеспечивать гибкое управление процессом коагуляции. Данный способ также является недостаточно надежным.

Наиболее близким к изобретению является способ определения оптимальной дозы коагулянта по дзета-потенциалу взвешенных в воде частиц [6]. Этот способ является более точным и с теоретической точки зрения наиболее оправданным, так как «величина дзета-потенциала частицы определяет ее способность к коагуляции и во многих случаях является основным критерием полноты протекания процесса» [7, стр.29]. Однако при осуществлении этого способа также невозможно следить за ходом процесса

Целью изобретения является повышение надежности очистки воды коагуляцией, уменьшение расхода реагентов и уменьшение содержания остаточных реагентов в очищенной воде.

Поставленная цель достигается следующим образом.

В способе регулирования процесса коагуляции воды, включающем определение первоначальной дозы коагулянта для пробы исходной воды, поступающей в смеситель, и последующее корректирование этой дозы в зависимости от изменения агрегативной устойчивости взвеси, регулирование основных стадий процесса коагуляции - уменьшение агрегативной устойчивости взвеси и последующей флокуляции - производят периодически в режиме реального времени, причем регулирование агрегативной устойчивости осуществляют на основе экспресс-измерения электрофоретической скорости движения частиц взвеси сверху вниз и сравнения ее с величиной электрофоретической скорости, соответствующей нижнему порогу коагуляции, а регулирование стадии флокуляции осуществляют на основании седиментационных экспресс-анализов путем определения гидравлической крупности взвеси в процессе образования хлопьев, ее сравнения с оптимальной гидравлической крупностью хлопьев, которая устанавливается технологическим регламентом и последующего корректирования дозы флокулянта.

1. Регулирование агрегативной устойчивости взвеси, осуществляемое на основе экспресс-измерения электрофоретической скорости движения частиц взвеси сверху вниз, позволяет повысить точность определения и последующей корректировки дозы коагулянта.

Величина электрофоретической скорости прямо пропорциональна величине дзета-потенциала [8, стр.264], который определяет способность частиц взвеси к коагуляции [7, стр.28]. Именно электрофоретическая скорость является в формулах, по которым вычисляется величина дзета-потенциала, например в формуле Гельмгольца-Смолуховского, основной скорость является в формулах, по которым вычисляется величина дзета-потенциала, например в формуле Гельмгольца-Смолуховского, основной составляющей, которая напрямую характеризует электрокинетический заряд частицы. Поэтому на основании именно электрофоретической скорости целесообразно определять дозу коагулянта. Все остальные составляющие этой формулы в своей совокупности только уменьшают точность определения. Например, любая погрешность при определении вязкости воды, которая в значительной степени зависит от ее температуры, уменьшает точность определения дозы коагулянта.

Метод микроэлектрофореза считается наиболее точным из электрофоретических методов определения дзета-потенциала. Измерение электрофоретической скорости этим методом осуществляется путем наблюдения под микроскопом за скоростью перемещения в горизонтальном направлении в плоскопараллельной камере отдельных частиц взвеси. Однако при таком измерении на скорость движения частиц в постоянном электрическом поле оказывает определенное влияние вертикальная составляющая этой скорости и электроосмотическое движение воды вдоль стенок измерительной камеры [9, стр.210, 212]. При измерении электрофоретической скорости движения частиц взвеси сверху вниз такое влияние исключается, следовательно, точность измерения повышается. Благодаря этому повышается точность определения оптимальной дозы коагулянта, что способствует повышению надежности очистки воды коагуляцией, уменьшению расхода реагентов и уменьшению содержания остаточных реагентов в очищенной воде.

2. Сравнение измеренной электрофоретической скорости движения частиц взвеси сверху вниз с величиной электрофоретической скорости, соответствующей нижнему порогу коагуляции, позволяет обеспечить регулирование агрегативной устойчивости взвеси путем оперативного корректирования дозы коагулянта таким образом, чтобы обеспечивались оптимальные условия коагуляции. В данном случае под нижним порогом коагуляции понимается величина электрофоретической скорости, при которой обеспечивается оптимальное протекание процесса коагуляции [10, стр.80-85; 8. стр.384]. Данный фактор также способствует повышению надежности очистки воды коагуляцией, уменьшению расхода реагентов и уменьшению содержания остаточных реагентов в очищенной воде.

3. Выполнение седиментационных экспресс-анализов путем определения гидравлической крупности взвеси в процессе образования хлопьев создает возможность гибкого управления процессом флокуляции, обеспечивая оптимальные условия работы сооружений, в которых происходит образование и осаждение хлопьев. Таким образом, подача в воду оптимальной дозы флокулянта осуществляется только в случае необходимости, когда оптимальная доза коагулянта не обеспечивает требуемую эффективность процесса. Это также способствует повышению надежности очистки воды коагуляцией, уменьшению расхода реагентов и уменьшению содержания остаточных реагентов в очищенной воде.

4. Регулирование основных стадий процесса коагуляции в режиме реального времени за счет проведения измерений в отношении одних и тех же объемов воды, передвигающихся по сооружениям, позволяет корректировать ход процесса на всех этапах его осуществления, что, с одной стороны, обеспечивает высокую надежность очистки воды, а, с другой, уменьшение расхода реагентов и уменьшение содержания остаточных реагентов в очищенной воде.

5. Возможность периодического определения охватывающей скорости отстойника на завершающей стадии процесса позволяет обеспечивать гарантированное качество воды по содержанию взвеси на выходе из него и, следовательно, оптимальные условия работы фильтровальных сооружений, Это, в свою очередь, также обеспечивает повышение надежности всей технологической схемы подготовки питьевой воды.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

На фиг.1 представлена схема реализации устройства по предлагаемому способу. Устройство содержит смеситель 1, камеру хлопьеобразования 2, отстойник 3, дозатор коагулянта 4, дозатор флокулянта 5, блок управления 6 и измерительные автоматические устройства ИП₁, ИП₂, ИП₃, ИП₄ и ИП₅.

Устройство обеспечивает регулирование процесса коагуляции следующим образом.

1. В технологическом регламенте эксплуатации водоочистных сооружений устанавливаются следующие требования:

1.1. Периодичность циклов измерений. Периодичность устанавливается в зависимости от изменчивости качества исходной воды. В данном случае под изменчивостью понимается такое изменение технологических параметров исходной воды, поступающей на водоочистные сооружения, при котором требуется корректирование технологии водоподготовки.

Пример 1. Многолетние наблюдения за изменчивостью качества исходной воды, поступающей на водоочистные сооружения поселка Надеево Вологодской области, показали, что в зимний период величина дзета-потенциала взвеси остается практически неизменной в течение 20-40 суток, а в период паводка эта величина может изменяться в течение 2-3 часов.

1.2. Величина электрофоретической скорости движения частиц, характеризующей нижний порог коагуляции И_энпк. По данным, приведенным в [10], эта величина по дзета-потенциалу в большинстве случаев находится в пределах от 16 до 19 мВ. Для каждого конкретного случая рекомендуется эту величину устанавливать на основании предварительных технологических исследований в единицах электрофоретической скорости.

1.3. Время пребывания воды в смесителе t_c и камере хлопьеобразования t_кxo.

1.4. Промежуток времени пребывания воды в камере хлопьеобразования t_кxo1, соответствующий по технологическому регламенту времени помутнения и начала образования мелких хлопьев.

1.5. Промежуток времени пребывания воды в камере хлопьеобразования t_кхо2, соответствующий по технологическому регламенту времени начала образования крупных хлопьев.

1.6. Промежуток времени пребывания воды в камере хлопьеобразования t_кхо3, соответствующий по технологическому регламенту времени выхода воды из камеры хлопьеобразования.

t_кхо=t_кхо1+t_кхо2+t_кхо3

1.7. Оптимальная гидравлическая крупность хлопьев ГК_о

Пример 2. После смесителя вода поступает в камеру хлопьеобразования водоворотного типа, встроенную в вертикальный отстойник.

1.8. Максимальная допустимая мутность воды на выходе из отстойника М_ф.

1.9. Для упрощения процессов измерения электрофоретической скорости и обработки получаемых результатов для всех точек отбора проб рекомендуется установить единые параметры измерений.

Градиент потенциала (рекомендуется от 8 до 12 В/см).

Время измерения (8-10 минут).

Глубина погружения чашечки весов (5-10 см).

Расстояние между электродами (8-12 см).

2. Последовательность цикла измерений и регулирования процесса коагуляции на схеме реализации устройства по предлагаемому способу (фиг.1):

2.1. Для пробы воды, поступающей в смеситель 1, с помощью измерительного автоматического устройства ИП₁ производится определение электрофоретической скорости И_э1, мутности взвеси M₁ и гидравлической крупности взвеси ГК₁.

2.2. По величине И_э1 в блоке управления 6 определяется первоначальная доза коагулянта Д_к1 и осуществляется управление дозатором коагулянта 4 для обеспечения подачи этой дозы в смеситель.

2.3. Через промежуток времени t_c (время пребывания воды в смесителе в соответствии с техническим регламентом) с помощью измерительного автоматического устройства ИП₂ определяется электрофоретическая скорость движения частиц: И_э2 на выходе воды из смесителя.

2.4. Производится сравнение величины И_э2 с электрофоретической скоростью движения частиц, характеризующей нижний порог коагуляции И_энпк. Если величина И_э2 близка к величине И_энпк, то дальнейшего регулирования величины Д_к1 не требуется до следующего цикла измерений.

Если И_э2>И_энпк, то доза коагулянта Д_к1 увеличивается до величины Д_к2 и затем, при необходимости, до величины Д_к3.

Если И_э2<И_энпк, то доза коагулянта Д_к1 уменьшается до величины Д_к2 и затем, при необходимости, до величины Д_к3.

2.5. Через промежуток времени t_кхо1, соответствующий по технологическому регламенту времени помутнения и начала образования мелких хлопьев, с помощью измерительного автоматического устройства ИП₃ определяется мутность взвеси М₂ и гидравлическая крупность взвеси ГК₂.

2.6. Производится сравнение величины М₂ с величиной M₁. Если М₂>M₁, то дальнейшего регулирования не требуется.

Если М₂=или <M₁, то по разнице М₂-M₁ определяется доза флокулянта Д_ф1 и осуществляется управление дозатором флокулянта 5 для обеспечения подачи этой дозы в камеру хлопьеобразования. В этом случае через промежуток времени t_кхо1 снова определяется мутность М₂ и на основании сравнения величин M₁ и М₂ корректируется доза флокулянта Д_ф1.

Такое корректирование осуществляется до тех пор, пока не будет выполнено условие М₂>M₁.

2.7. Через промежуток времени t_кxo2, соответствующий по технологическому регламенту времени начала образования крупных хлопьев, с помощью измерительного автоматического устройства ИП₄ определяется гидравлическая крупность взвеси ГК₃.

2.8. Производится сравнение величины ГК₃ с оптимальной гидравлической крупностью хлопьев ГК_о, которая устанавливается технологическим регламентом. Если величина ГК₃ примерно равна ГК_о, то дальнейшего регулирования не требуется.

Если ГК₃<ГК_о, то по разнице ГК_о-ГК₃ увеличивается доза флокулянта Д_ф1. Через промежуток времени t_кхо1+t_кхо2 снова определяется величина ГК₃ и на основании сравнения величин ГК_о и ГК₃ корректируется доза флокулянта Д_ф1. Такое корректирование осуществляется до тех пор, пока величина ГК₃ не станет приблизительно равной ГК_о.

Если ГК₃>ГК_о, то аналогичным образом корректируется доза флокулянта в сторону уменьшения.

2.9. Через промежуток времени t_кхо3, соответствующий по технологическому регламенту времени выхода воды из камеры хлопьеобразования, с помощью измерительного автоматического устройства ИП₄ определяются гидравлическая крупность взвеси ГК₄ и концентрация взвеси М₃.

2.10. По величине ГК₄ принимается величина охватываемой скорости движения воды в отстойнике V [11, с.207-208]. В данном случае под охватываемой скоростью воды в отстойнике понимается минимальная гидравлическая крупность частиц, которые необходимо задержать в отстойнике для обеспечения максимальной мутности воды на выходе из него М_ф, которая устанавливается технологическим регламентом для обеспечения нормальной работы фильтров.

2.11. По величинам М₃ и ГК₄ рассчитывается объем осадка, задерживаемого в отстойнике и время Т₀, которое определяет необходимость удаления осадка из отстойника.

Способ может быть реализован в автоматическом режиме, так как все измеряемые параметры определяются в виде электрических величин.

По сравнению с прототипом способ обладает следующими преимуществами:

- повышается надежность очистки воды коагуляцией;

- уменьшение расхода реагентов;

- уменьшение содержания остаточных реагентов в очищенной воде;

- обеспечение гибкого управления процессом коагуляции в режиме реального времени.

Изобретение можно использовать для питьевого и технического водоснабжения.

Пример конкретного применения.

1. В результате исследований, которые проводились с пробами воды, поступающей на водоочистные сооружения города Вологды в весенне-летний период 2007 года, была определена электрофоретическая скорость движения частиц, характеризующая нижний порог коагуляции И_энпк=0,41 мм/с. В лабораторных условиях для воды, имеющей цветность 65 градусов ПКШ и мутность 8 мг/л в соответствии с методикой, соответствующей [6], по результатам определения электрофоретической скорости И_э1 была принята первоначальная доза раствора сернокислого алюминия (коагулянта): Д_к1=29 мг/л. После перемешивания этой дозы с исследуемой пробой воды в течение 90 с, что соответствует времени t_c, была определена электрофоретическая скорость движения частиц: И_э2=0.33 мм/с. Доза коагулянта была увеличена до 33 мг/л, после чего снова была определена электрофоретическая скорость движения частиц: И_э3=0.39 мм/с. В связи с тем, что величина И_э3 близка к величине И_энпк, был сделан вывод о том, что добавление флокулянта не требуется. После отстаивания и фильтрования исследуемой пробы воды цветность ее равнялась 8 градусам ПКШ, а мутность 0,7 мг/л.

2. В результате исследований проб коагулированной воды из реки Вологда была определена оптимальная гидравлическая крупность хлопьев ГК₀=0,52 мм/с. По методике, приведенной в примере 1, для воды, имеющей цветность 79 градусов ПКШ, мутность M₁=35 мг/литр и гидравлическую крупность взвеси ГK₁=0,18 мм/с была принята первоначальная доза раствора сернокислого алюминия: Д_к1=40 мг/л.

Затем была определена электрофоретическая скорость движения частиц: И_э2=0.28 мм/с. В результате последующей двукратной корректировки дозы коагулянта Д_к2=47 мг/л и Д_к3=52 мг/л электрофоретические скорости движения частиц составили соответственно: И_э3=0,33 мм/с и И_э4=0,36 мм/с. Была определена требуемая доза флокулянта. Для этого через промежуток времени t_кхo1 была определена мутность взвеси М₂=34 мг/л и гидравлическая крупность взвеси ГК₂=0,44 мм/с. Доза флокулянта - полиакриламида (по безводному продукту) составила Д_ф1=0,2 мг/л. Через промежуток времени t_кхо2 была определена гидравлическая крупность взвеси ГК₃=0,5 мм/с. В этом случае дальнейшего регулирования дозы флокулянта не потребовалось. После отстаивания и фильтрования исследуемой пробы воды цветность ее равнялась 12 градусам ПКШ, а мутность 0,5 мг/л.

ЛИТЕРАТУРА

1. Способ седиментационного анализа дисперсных систем. SU А.С. 1363020. Опубл. 30.12.87. Бюл. №48.

2. Способ определения электрофоретической подвижности дисперсных частиц суспензий. SU А.С. 1383190. Опубл. 23.03.88. Бюл. №11.

3. Способ седиментационного анализа частиц в прозрачной дисперсионной среде. SU А.С. 1226174. Опубл. 23.04.86. Бюл. №15.

4. Пособие по проектированию автоматизации и диспетчеризации систем водоснабжения (к СНиП 2.04.02-84). Утв. приказом СоюзводоканалНИИпроекта от 5 марта 1985 г. №4.1. - М.: Центральный институт типового проектирования, 1985. - (п.2.24).

5. Способ регулирования процесса коагуляции. Патент на изобретение RU (11) 93034328 (13) А. Опубл 01.27.1997 г.

6. Чудновский, С.М, Определение оптимальной дозы коагулянта по дзета-потенциалу взвешенных в воде частиц / С.М.Чудновский, В.М.Ропот, Л.Л.Индричан // Мелиорация и водное хозяйство: экспресс-информация. Серия 3. Обводнение и сельскохозяйственное водоснабжение. Выпуск 10. - М. 1987. - C.12-17.

7. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами / Е.Д.Бабенков. - М: Наука, 1977. - 346 с.

8. Фролов, Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы / Ю.Г.Фролов. - М.: Химия, 1988. - 464 с.

9. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии / С.С.Воюцкий. - М.: Химия, 1975. - 512 с.

10. Чудновский С.М. Применение электрокинетических показателей в технологии осветления природных и сточных вод. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Новочеркасск. 1978 г. 153 с.

11. Оводов B.C. Сельскохозяйственное водоснабжение и обводнение / В.С.Оводов. - М.: Колос, 1984. - 480 с.

Изобретение относится к очистке воды и может быть использовано в системах регулирования процессов коагуляции на технологических схемах сооружений для подготовки питьевой воды. В способе регулирования процесса коагуляции воды регулирование основных стадий процесса коагуляции - уменьшение агрегативной устойчивости взвеси и последующей флокуляции - производят периодически в режиме реального времени. При этом регулирование агрегативной устойчивости осуществляют на основе экспресс-измерения электрофоретической скорости движения частиц взвеси сверху вниз и сравнения ее с величиной электрофоретической скорости, соответствующей нижнему порогу коагуляции. Регулирование стадии флокуляции осуществляют на основании седиментационных экспресс-анализов путем определения гидравлической крупности взвеси в процессе образования хлопьев, ее сравнения с оптимальной гидравлической крупностью взвеси, которая устанавливается технологическим регламентом, и последующего корректирования дозы флокулянта. Предложенный способ регулирования процесса коагуляции обеспечивает повышение надежности очистки воды, уменьшение расхода реагентов и уменьшение содержания остаточных реагентов в очищенной воде. 1 ил.

Способ регулирования процесса коагуляции воды, включающий определение первоначальной дозы коагулянта для пробы исходной воды, поступающей в смеситель, и последующее корректирование этой дозы в зависимости от изменения агрегативной устойчивости взвеси, отличающийся тем, что регулирование основных стадий процесса коагуляции - уменьшение агрегативной устойчивости взвеси и последующей флокуляции - производят периодически в режиме реального времени, причем регулирование агрегативной устойчивости осуществляют на основе экспресс-измерения электрофоретической скорости движения частиц взвеси сверху вниз и сравнения ее с величиной электрофоретической скорости, соответствующей нижнему порогу коагуляции, а регулирование стадии флокуляции осуществляют на основании седиментационных экспресс-анализов путем определения гидравлической крупности взвеси в процессе образования хлопьев, ее сравнения с оптимальной гидравлической крупностью взвеси, которая устанавливается технологическим регламентом, и последующего корректирования дозы флокулянта.