СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОЧИХ ДОЗ КОАГУЛЯНТА В ПРОЦЕССАХ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД Российский патент 2013 года по МПК C02F1/00 

Изобретение относится к области реагентной очистки воды, в частности к определению доз алюминий содержащих коагулянтов: сульфата и оксихлорида алюминия.

Известен способ определения доз коагулянта при реагентой очистке природных вод, заключающийся в проведении пробного коагулирования в цилиндрах с последующим отстаиванием воды в них не менее 30 минут и последующим определением мутности и цветности отстоенной воды [1, 2].

Недостатком этих способов, является отсутствие возможность прямого учета таких важных показателей качества исходной воды, влияющих на коагулируемость взвеси, как температура (t, °С), щелочность (Щ, моль/дм³), общее солесодержание (С, мг/дм³), характеристики устойчивости коллоидов: «дзетта-потенциал» (-ζ, мВ) и окисляемости: редокс-потенциал (-Е, мВ).

Известен способ расчетного определения доз коагулянтов в разные сезоны года и изменения качества исходной воды на основании статистической обработки исходных данных по эмпирическим зависимостям вида [3]:

$${Д}_{к}^I=\mathrm{0,9}Ц-\mathrm{13,8}Щ-\mathrm{0,4}t+\mathrm{0,9}{Д}_{х}+\mathrm{4,}\left(1\right)$$

где Ц - цветность, град.; Щ - щелочность, мг-экв/л; t - температура воды, °С; Д_х - доза хлора, мг/л.

Недостатком этого способа является то, что в нем не учитываются в формализованном виде (количественном значении) электрокинетический и окислительно-восстановительный потенциал, характеризующие кинетическую, агрегативную устойчивость коллоидных систем и окислительно-восстановительные реакции при добавлении в воду алюминий содержащих коагулянтов.

Наиболее близким по сути заявляемого изобретения является метод определения требуемой дозы коагулянта на основе применения дзетта-метрического метода по зависимости [4, 5]:

$${Д}_{к}=\left(A\zeta -B\right){К}_{х},\left(2\right)$$

где ζ - дзетта-потенциал взвеси в исходной воде, мВ; A и B - показатели зависящие от вида применяемого коагулянта и температуры воды; К_х - коэффициент увеличения дозы, зависящий от режима первичного хлорирования воды перед коагулированном.

Недостатком этого метода является отсутствие в этой зависимости основных показателей качества исходной воды - мутности, цветности, окисляемости и не учет роста остаточного алюминия в воде после ее отстаивания и фильтрования, а также то, что даже в первом приближении в нем не учитывается воздействие на процесс коагуляции щелочности, солесодержания и редокс-потенциала.

Технологическим результатом предлагаемого изобретения является осуществление возможности оперативного и более точного определения требуемых доз коагулянта при изменении устойчивости коллоидных примесей и качества очищаемых вод в водоисточнике без проведения каждый раз повторного пробного коагулирования исходной воды.

Этот результат достигается тем, что при изменении качества воды в водоисточнике новую требуемую дозу коагулянта определяют по предложенной регрессионной зависимости учитывающей влияние на процесс коагуляции не только основных показателей качества очищаемых вод (таких как мутность, цветность, перманганатная окисляемость и остаточный алюминий), но и комплексный показатель представляющий собой характеристику устойчивости (сопротивляемости к коагуляции) минеральных и органических примесей в очищаемой воде.

Способ определения требуемой дозы коагулянта осуществляют следующим образом.

В расчетную регрессионную зависимость, полученную ранее на базе статистической обработки исходных экспериментальных данных (см.табл.1), для конкретного водоисточника в местах водоотбора и имеющую вид:

$${Д}_{к}=f\left(М,Ц,ПО,A{l}_{ост}\right),\left(3\right)$$

где Д_к - рабочая доза коагулянта, мг/л; М, Ц, ПО, Al_ост - соответственно показатели мутности, цветности, перманганатной окисляемости и остаточного алюминия, вводится дополнительный комплексный показатель коагулируемости коллоидной взвеси S_к, определяемый как:

$$S_{к}=A\frac{t^{\alpha }{Щ}^{\beta }{С}^{\gamma }}{{\left(-\zeta \right)}^n{\left(-Eh\right)}^m},\left(4\right)$$

где t - температура, °С; Щ - щелочность, мг-экв/л; С - общее солесодержание, мг/л; (-ζ) - отрицательное значение дзетта-потенциала, мВ; (-Eh) - отрицательное значение окислительно-восстановительного потенциала, мВ; A, α, β, γ, n, m - константы и коэффициенты регрессии, из которых оптимальную дозу коагулянта определяют по минимальным полученным значениям М, Ц, ПО и Al_ост в отстоенной в течение 30 минут воде после ее коагулирования реагентами с диапазоном доз от 0,2 до 10 мг/л по Al₂O₃ при М≤100 мг/дм³ и Ц≤100 град. и от 10 до 50 мг/л при больших указанных значениях этих ингредиентов и концентрациях рабочих растворов коагулянта от 1,5 до 5%.

Таблица 1 Характеристика исследуемой воды и коагулируемости примесей. Показатели качества исходной воды Физико-химические показатели, используемые для оценки различных формул для определения доз коагулянта Доза коагулянта по Al₂O₃, Д_к, мг/л М, мг/л Ц, град. ПО, мг O₂/л Al, мг/л NH₄, мг/л ζ, мВ Eh, мВ Т, °С рН Щ, мг-экв/л 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 6,0 32 7,4 0,06 н/опр. -23,5 365 9 9,5 2,25 0,6 9,1 46 7,4 0,06 н/опр. -24,0 410 9 8,2 2,25 0,8 11,8 55 7,5 0,06 1,8 -26,0 435 10 8,1 2,3 1,0                       5,7 26 8,7 0,06 н/опр. -31,2 244 8 8,5 2,2 0,6 2,2 32,5 8,2 0,1 н/опр. -30,9 395 11 7,7 2 0,5                       10,4 112 8,0 0,15 2,4 -38,4 376 13 8,2 1,8 1,5 9,7 110 8,2 0,15 н/опр. -38,4 376 13 8,2 2,2 1,2 10,0 100 8,0 0,2 н/опр. -38,7 376 13 8,0 2,2 1,0                       22,9 151 8,0 0,05 2,9 -38,4 411,5 10 8,0 3,0 1,5 20,0 170 8,2 0,07 н/опр. -40,0 350 10 7,8 2,2 2,0 Примечание: Условные обозначения: NH₄ - азот аммонийный, остальные показатели - см. по тексту. Общее солесодержание варьировалось в опытах в пределах от 400 до 450 мг/л и в расчетных формулах учтено коэффициентом α₀.

Пример определения доз коагулянта.

Для оценки и обоснования вида регрессионных зависимостей, в том числе и с учетом комплексного показателя коагулируемости взвеси S_к, дозы коагулянта рассчитывалась по трем вариантам:

1 вариант: $${Д}_{к}=f_1\left({М}_0,{Ц}_0,П{О}_0,Al\right),\left(5\right)$$

2 вариант: $${Д}_{к}=f_2\left({М}_0,{Ц}_0,П{О}_0,Al,S_{к}\right),\left(6\right)$$

3 вариант: $${Д}_{к}=f_3\left(\zeta ,Eh,t,pH,Щ\right),\left(7\right)$$

Методами математической статистики были найдены во всех зависимостях коэффициенты регрессии.

В результате расчетов для первого варианта были получены следующие значения коэффициентов регрессии: α₀=0,0378; α₁=0,0772; α₂=0,5827; α₃=0,2410; α₄=-0,0516, после чего $${Д}_{к}={\alpha }_0{М}_0^{{\alpha }_1}{Ц}_0^{{\alpha }_2}П{О}_0^{{\alpha }_3}A{l}^{{\alpha }_4}$$ преобразуется в виде:

$${Д}_{к}=\mathrm{0,0378}{М}_0^{\mathrm{0,0772}}{Ц}_0^{\mathrm{0,5827}}П{О}_0^{\mathrm{0,2410}}A{l}^{-\mathrm{0,0516}}.\left(8\right)$$

По второму варианту зависимость для определения дозы коагулянта имела вид: $${Д}_{к}={\beta }_0{М}_0^{{\beta }_1}{Ц}_0^{{\beta }_2}П{О}_0^{{\beta }_3}A{l}^{{\beta }_4}{S}_{к}^{{\beta }_5}$$ . В этом варианте дополнительно были вычислены значения $$S_{к}=\left(\frac{t\cdot Щ\cdot Eh}{\left(-\zeta \right)\cdot pH}\right),$$ приведенные в таблице 2.

Таблица 2 Результаты расчета S_к ζ, мВ Eh, мВ t, °C рН Щ, мг-экв/л S_к -23,5 365 9 9,5 2,25 33,11 -24,0 410 9 8,2 2,25 42,19 -26,0 435 10 8,1 2,30 47,51 -31,2 244 8 8,5 2,20 16,19 -30,9 395 11 7,7 2 36,52 -38,4 376 13 8,2 1,8 27,94 -38,4 376 13 8,2 2,2 34,15 -38,7 376 13 8,0 2,2 34,73 -38,4 411,5 10 8,0 3,0 40,19 -40,0 350 10 7,8 2,2 24,68

Подставляя полученные значения коэффициентов регрессии (β₀=27,0217; β₁=0,0232; β₂=0,6629; β₃=-2,2302; β₄=-0,0766; β₅=-0,4973) получили:

$${Д}_{к}=\mathrm{27,0217}{М}_0^{\mathrm{0,0232}}{Ц}_0^{\mathrm{0,6629}}П{О}_0^{-\mathrm{2,2302}}A{l}^{-\mathrm{0,0766}}{S}_x^{-\mathrm{0,4973}}.\left(9\right)$$

По третьему варианту зависимость была принята в неявном виде: $${Д}_{к}={\gamma }_0{\left(-\varsigma \right)}^{{\gamma }_1}E{h}^{{\gamma }_2}{t}^{{\gamma }_3}p{H}^{{\gamma }_4}{Щ}^{{\gamma }_5}$$ и после подстановки вычисленных значений коэффициентов регрессии (γ₀=0,0011; γ₁=-1,5065; γ₂=-0,7794; γ₃=5,8122; γ₄=-1,5504; γ₅=6,5842) была преобразована в вид:

$${Д}_{к}=\mathrm{0,0011}{\left(-\varsigma \right)}^{-\mathrm{1,5065}}E{h}^{-\mathrm{0,7794}}{t}^{\mathrm{5,8122}}p{H}^{-\mathrm{1,5504}}{Щ}^{\mathrm{6,5842}}.\left(10\right)$$

Результаты расчета Д_к по трем вариантам сведены в таблицу 3. Сравнение различных формул для определения дозы коагулянта по сумме квадратов невязок (оценке качества полученной формулы) показали, что наилучшие результаты получены по формуле (4), худшие - по формуле (5). Следовательно, последняя в меньшей степени пригодна для практического применения.

Как видно предложенный метод обработки экспериментальных данных увеличивает степень точности расчетной зависимости по сумме квадратов невязок, между первым и вторым вариантами, в 2,57 раза. Третий вариант приводит к неприемлемой величине суммы квадратов невязок. Предложенный по первому варианту метод при изменении показателей качества воды в заданном интервале их варьирования, позволяет использовать необходимость повторного экспериментального определения новой дозы коагулянта пробным коагулированием воды, это особенно важно в случаях быстрого изменения качества воды в водоисточнике (например, в паводковые периоды весеннего половодья и осенних холодных дождей).

Таким образом, предложенный метод определения необходимых доз коагулянта, учитывающий в комплексе как основные показатели качества исходной воды (М, Ц, ПО, Al_ост), так и показатель коагулируемости примесей, связывающий Eh, рН, ζ, Щ, Т и С позволяет сократить объемы работ по пробному коагулированию.

Таблица 3 Сравнение полученных расчетных формул для определения дозы коагулянта по трем вариантам Д_к, мг/л ∑S_фх 1 вариант 2 вариант 3 вариант Доза коагулянта, рассчитанная по формуле (8) Невязка (разность) между истинной дозой и рассчитанной по формуле (8) Сумма квадратов невязок (оценка качества полученной формулы) Доза коагулянта, рассчитанная по формуле (9) Невязка Сумма квадра
тов Доза коагулянта, рассчитанная по формуле (10) Невязка Сумма квадра
тов невязок 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0,6 33,11 0,61 -0,01 0,1916 0,70 -0,10 0,0746 0,21 0,39 6,0337 0,8 42,19 0,78 0,02 0,80 0,00 0,23 0,57 1,0 47,51 0,89 0,11 0,83 0,17 0,42 0,58 0,6 16,19 0,56 0,04 0,61 -0,01 0,10 0,50 0,5 36,52 0,57 -0,07 0,51 -0,01 0,26 0,24 1,5 27,94 1,29 0,21 1,39 0,11 0,24 1,26 1,2 34,15 1,28 -0,08 1,18 0,02 0,89 0,31 1,0 34,73 1,19 -0,19 1,13 -0,13 0,91 0,09 1,5 40,19 1,73 -0,23 1,57 -0,07 1,44 0,06 2,0 24,68 1,81 0,19 1,99 0,01 0,21 1,79

Список используемых документов

1. Методики проведения технологических изысканий моделирования процессов очистки воды на водопроводных станциях. Раздел 2.1. Пробное коагулирования воды. - М.: ОАО «НИИ КВОВ», 2001.

2. Гороновский И.Т., Руденко Г.Г. Эксплуатация станций подготовки хозяйственно-питьевой воды (Гл.1. Статистические методы прогноза расхода коагулянтов). - Киев: Из-во «Будiвельник», 1975.

3. Драгинский В.Л., Алексеева Л.П., Гетманцев С.В. Коагуляция в технологии очистки природных вод. - М.: НИИ КВОВ, 2005.

4. Рекомендации по применению дзета-метрических методов для контроля и регулирования технологического режима работы водоочистных сооружений. - Новочеркасск: НМИ, 1976.

5. А.с. 1383190 СССР, МКИ G01N 27/26. Способ определения электрофоретической подвижности дисперсных частиц суспензий. БИ №11, опубл. 23.03.88.

6. Бахвалов Н.С. и др. Численные методы: учеб. пособие для вузов / Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков. - М.: Лаб. Баз. Зн., 2002. - 632 с.

Изобретение относится к области определения доз коагулянта при реагентной очистке природных вод с применением алюминийсодержащих коагулянтов с целью снижения в ней мутности, цветности, окисляемости и остаточного алюминия. Способ включает в себя проведение пробного коагулирования с получением экспериментальных данных, их статистическую обработку и получение по ее результатам расчетной зависимости вида:

$${Д}_{к}={К}_1,{М}^{\alpha }{Ц}^{\beta }П{О}^{\gamma }Аl_{ост}^{\phi }{S}_{к},\left(1\right)$$

где Д_к - рабочая (требуемая) доза алюминий содержащего коагулянта, мг/л; М - мутность исходной воды, мг/дм³; Ц - цветность исходной воды, град.; ПО - перманганатная окисляемость, мг О₂/дм³; Аl_ост - алюминий остаточный в отстоенной воде, мг/дм³; S_к - комплексный показатель коагулируемости коллоидной взвеси, определяемый по (2).

$$S_{к}=A\frac{t^{\alpha }{Щ}^{\beta }{С}^{\gamma }}{{\left(-\zeta \right)}^n{\left(-Eh\right)}^m},\left(2\right)$$

где t - температура, °С; Щ - щелочность, мг-экв/л; С - общее солесодержание, мг/л; (-ζ) - отрицательное значение дзетта-потенциала, мВ; (-Eh) - отрицательное значение окислительно-восстановительного потенциала, мВ; А, α, β γ, n, m - константы и коэффициенты регрессии, из которых оптимальную дозу коагулянта определяют по минимальным полученным значениям М, Ц, ПО и Аl_ост в отстоенной в течение 30 минут воде после ее коагулирования реагентами с диапазоном доз от 0,2 до 10 мг/л по Al₂O₃ при М≤100 мг/дм³ и Ц≤100 град. и от 10 до 50 мг/л при больших указанных значениях этих ингредиентов и концентрациях рабочих растворов коагулянта от 1,5 до 5%. Техническим результатом изобретения является осуществление возможности оперативного и более точного определения требуемых доз коагулянта при изменении устойчивости коллоидных примесей и качества очищаемых вод в водоисточнике без проведения каждый раз повторного пробного коагулирования исходной воды. 3 табл.

Способ определения рабочих доз коагулянта в процессах очистки природных вод, включающий проведение пробного коагулирования с визуальной оценкой образования и осаждения хлопьев скоагулированной взвеси и выполнением анализов воды по мутности, цветности, окисляемости и остаточному алюминию, отличающийся тем, что дополнительно определяют температуру, щелочность, общее солесодержание, электрокинетический и окислительно-восстановительный потенциал и устанавливают аналитические зависимости вида:
Д_к=f(М,Ц,ПО,Al_ост,S_к),
где Д_к - требуемая рабочая доза коагулянта, мг/дм³; М, Ц, ПО, Аl_ост - соответственно показатели мутности, цветности, перманганатной окисляемости и остаточного алюминия; S_к - комплексный показатель коагулируемости коллоидной взвеси, определяемый как
$$S_{к}=A\frac{t^{\alpha }{Щ}^{\beta }{С}^{\gamma }}{{\left(-\zeta \right)}^n{\left(-Eh\right)}^m}$$ ,
где t - температура, °С; Щ - щелочность, мг-экв/л; С - общее солесодержание, мг/л; (-ζ) - отрицательное значение дзетта-потенциала, мВ; (-Eh) - отрицательное значение окислительно-восстановительного потенциала, мВ; А, α, β, γ, n, m - константы и коэффициенты регрессии, из которых оптимальную дозу коагулянта определяют по минимальным полученным значениям М, Ц, ПО и Аl_ост в отстоенной в течение 30 мин воде после ее коагулирования реагентами с диапазоном доз от 0,2 до 10 мг/л по Al₂O₃ при М≤100 мг/дм³ и Ц≤100 град. и от 10 до 50 мг/л при больших указанных значениях этих ингредиентов и концентрациях рабочих растворов коагулянта от 1,5 до 5%.