СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ВОДЫ В КОНТАКТНЫХ ОСВЕТЛИТЕЛЯХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ADJUSTING WATER TREATMENT PROCESSES IN CONTACT CLARIFIERS AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к технологическим процессам осветления и обесцвечивания воды и может быть использовано для регулирования процессов коагуляции и фильтрования на сооружениях, работающих по схеме: смеситель - контактный осветлитель.
Перед поступлением воды в смеситель при осуществлении процесса осветления и обесцвечивания воды производятся в режимах реального времени экспресс-измерения цветности, мутности, щелочности и электрофоретической скорости движения частиц взвеси сверху вниз в исходной воде, затем на выходе воды из смесителя перед поступлением ее в контактный осветлитель производятся экспресс-измерения электрофоретической скорости движения частиц взвеси сверху вниз и остаточного коагулянта. После этого производятся экспресс-измерения остаточного коагулянта по пути движения воды через фильтрующую загрузку контактного осветлителя не менее чем в двух точках, а на выходе воды из контактного осветлителя выполняются экспресс-измерения цветности и мутности воды. На основании такого экспресс-контроля обеспечивается определение первоначальной дозы коагулянта с последующим ее корректированием в соответствии со способом [1], а также регулирование скорости фильтрования воды в контактном осветлителе и переключение с режима фильтрования на режим промывки фильтрующей загрузки. При режиме промывки производится в режиме реального времени седиментационный экспресс-анализ взвеси на выходе из контактного осветлителя и на его основе регулируются время и интенсивность промывки фильтрующей загрузки.
Известен способ регулирования процесса коагуляции воды [1], заключающийся в определении первоначальной дозы коагулянта для пробы исходной воды, поступающей в смеситель, последующее корректирование этой дозы в зависимости от изменения агрегативной устойчивости взвеси, которое производят периодически в режиме реального времени на основе экспресс-измерения электрофоретической скорости движения частиц взвеси сверху вниз и сравнения ее с величиной электрофоретической скорости, соответствующей нижнему порогу коагуляции. Основным недостатком этого способа в отношении технологической схемы смеситель - контактный осветлитель является то, что его можно использовать для регулирования процесса только на первой стадии коагуляции, когда обеспечивается изменение агрегативной устойчивости взвеси, а последующие стадии - процессы образования и удаления хлопьев в стесненных условиях контактного осветлителя, а также процессы переключения с режима фильтрования на режим промывки фильтрующей загрузки и процесс управления режимом промывки остаются неуправляемыми.
Наиболее близким к изобретению является способ очистки воды в контактном фильтре, заключающийся в фильтровании очищаемой воды через фильтрующую загрузку и переключении с режима фильтрования на режим промывки [3]. Основным недостатком этого способа является то, что при его использовании отсутствует возможность управлять в режиме реального времени процессами образования и удаления хлопьев в стесненных условиях контактного осветлителя, переключения с режима фильтрования на режим промывки фильтрующей загрузки и управления режимом промывки.
Наиболее близким к изобретению является устройство [3], содержащее резервуар, узлы подвода очищаемой и промывной воды и отвода фильтрата и промывной воды, несколько разных слоев фильтрующего материала, дренажную систему и модифицированную распределительную систему, а также смесительное устройство, установленное перед распределительной системой. Основными положительными свойствами данного устройства являются возможности сократить или полностью отказаться от сброса первого фильтрата, увеличить продолжительность фильтроцикла и снизить содержание остаточного алюминия в фильтрате. Основным недостатком данного устройства является его недостаточная надежность из-за отсутствия системы управления всеми технологическими процессами в режимах реального времени на основе экспресс-измерений технологических показателей качества очищаемой воды.
Целью изобретения является обеспечение гибкого автоматического управления всеми технологическими процессами в режимах реального времени, повышение надежности очистки воды; повышение производительности сооружений; гарантированное уменьшение содержания остаточных коагулянтов в очищенной воде; значительное сокращение эксплуатационных затрат.
Указанная цель достигается тем, что регулирование процесса очистки воды в контактных осветлителях включает определение оптимальной дозы коагулянта для пробы исходной воды, поступающей в смеситель, а управление процессом коагуляции в стесненных условиях фильтрующей загрузки контактного осветлителя производится путем регулирования скорости фильтрования на основании экспресс-контроля в режиме реального времени величины остаточного коагулянта в воде, поступающей в контактный осветлитель и не менее чем в двух уровнях в объеме его фильтрующей загрузки, переключение с режима фильтрования на режим промывки осуществляется на основе экспресс-контроля цветности, мутности и щелочности исходной воды, а также цветности и мутности воды на выходе из контактного осветлителя, а время и интенсивность промывки регулируются на основе седиментационного экспресс-анализа взвеси на выходе из контактного осветлителя.
Определение и регулирование дозы коагулянта по способу [1] позволяет обеспечить надежное регулирование первой стадии процесса коагуляции.
Регулирование скорости фильтрования на основании экспресс-контроля в режиме реального времени величины остаточного коагулянта в воде, поступающей в контактный осветлитель и в объеме его фильтрующей загрузки, не менее чем в двух уровнях, позволяет повысить надежность и оптимизировать технологические процессы образования хлопьев и их задержания в порах фильтрующей загрузки контактных осветлителей, а также увеличить их производительность.
Пример 1.
На водоочистных сооружениях, работающих по схеме смеситель-контактный осветлитель, в течение года на входе исходной воды в смеситель осуществлялся экспресс-контроль мутности и цветности, а на выходе из контактного осветлителя - экспресс-контроль мутности, цветности и остаточного коагулянта. В качестве коагулянта использовался раствор сернокислого алюминия. В течение периода наблюдений цветность исходной воды изменялась в пределах от 165 до 23 градусов платино-кобальтовой шкалы, а мутность - от 1.8 до 10.2 мг/л. Регулирование первой стадии процесса коагуляции осуществлялось по способу [1]. Результаты наблюдений приведены в таблице 1.
Таблица 1
Остаточный алюминий, мг/л
Количество суток (всего)
Количество суток, когда мутность воды превышала требование СанПин (1.5 мг/л)
Количество суток, когда цветность воды превышала требование СанПин (20 град. ПКШ)
Менее 0,12
197
0
0
0,12-0,15
63
0
3
0,15-0,2
39
1
4
0,2-0,3
21
0
6
0,3-0,5
27
1
9
Более 0,5
18
2
12
Как видно из таблицы 1, в тех случаях, когда остаточный алюминий в воде, прошедшей очистку на контактном осветлителе, не превышал 0,12 мг/л, эта вода по цветности и мутности всегда соответствовала нормативным требованиям.
Пример 2.
В тех 34-х случаях, когда мутность и цветность на выходе из контактного осветлителя не соответствовали нормативным требованиям (см. таблицу 1), осуществлялся контроль остаточного алюминия в объеме фильтрующей загрузки и на его основе регулировалась (уменьшалась) скорость фильтрования. При этом рассматривались два варианта регулирования. В первом варианте на контактном осветлителе, имеющем толщину фильтрующего слоя 2,5 м, при движении воды снизу вверх экспресс-контроль остаточного алюминия производился в режиме реального времени (для одного и того же объема обрабатываемой воды) на входе воды в контактный осветлитель, на высоте H=1,25 м от низа фильтрующей загрузки и на выходе из сооружения. Начальная скорость фильтрования была установлена в соответствии с требованием п.6.130 [4]: V=5 м/час. В тех случаях, когда на выходе из контактного осветлителя показатели мутности и цветности воды не соответствовали требованиям СанПин, скорость фильтрования уменьшалась на 0,2 м/час - шаг регулирования.
Промежуток времени между измерениями остаточного алюминия на входе, в фильтрующей загрузке и на выходе определялся по формуле:
Т=Н/V, час. (1)
Результаты наблюдений приведены в таблице 2.
Таблица 2
Остаточный алюминий, мг/л
Количество случаев, когда после регулирования скорости фильтрования показатели цветности и мутности превышали требования СанПин
На высоте
На выходе из сооружения
Мутность, мг/л
Цветность, град. ПКШ
Н=1,25 м
Менее 0,12
Менее 0,12
0
0
0,12-0,15
0,12-0,15
0
0
0,15-0,2
0,15-0,2
0
1
0,2-0,3
0,2-0,3
0
2
0,3-0,5
0,3-0,5
0
4
Как видно из таблицы 2, в тех случаях, когда остаточный алюминий в воде на высоте Н=1,25 м от низа фильтрующей загрузки не превышал 0,15 мг/л, эта вода по цветности и мутности всегда соответствовала нормативным требованиям. Однако при такой методике регулирования скорости фильтрования в 7 случаях не удалось обеспечить выполнение требований СанПин по цветности.
1
2
Во втором варианте на контактном осветлителе экспресс-контроль остаточного алюминия производился аналогичным образом на высотах H=0,9 м и Н=1,7 м. Скорость фильтрования уменьшалась на 0,1 м/час (до 4 м/час). В этом случае удалось обеспечить полное выполнение требований СанПин при остаточном алюминии на высоте 1,7 м не более 0,2 мг/л.
В тех случаях, когда мутность и цветность на выходе из контактного осветлителя соответствовали нормативным требованиям (см. таблицу 1), осуществлялся контроль остаточного алюминия в объеме фильтрующей загрузки и на его основе регулировалась (увеличивалась) скорость фильтрования (по методике второго варианта) при цветности менее 15 град. ПКШ. В результате удавалось увеличивать скорость фильтрования до 6,8 м/час, обеспечивая гарантированное качество очищенной воды по цветности, мутности и остаточному коагулянту.
Переключение с режима фильтрования на режим промывки на основе экспресс-контроля цветности, мутности и щелочности исходной воды, а также цветности и мутности воды на выходе из контактного осветлителя дает возможность повысить надежность и оптимизировать технологические процессы промывки, а также увеличить производительность сооружений.
В технологическом регламенте эксплуатации водоочистных сооружений на основании предварительных технологических испытаний устанавливается грязеемкость фильтрующей загрузки контактного осветлителя (Г). В данном случае под грязеемкостью понимается максимальная масса загрязнений, задерживаемых в фильтрующей загрузке, при достижении которой контактный осветлитель необходимо переключить на режим промывки.
р
Для определения времени переключения с режима фильтрования на режим промывки осуществляется сравнение величины Г с величиной Г,
р
где: Г - величина реального загрязнения фильтрующей загрузки в данный момент времени, которая определяется по формуле:
1
где: C - концентрация взвешенных веществ в воде, поступающей в контактный осветлитель;
2
C - концентрация взвешенных веществ в воде на выходе из контактного осветлителя;
i
T - промежутки времени между циклами измерений;
K - коэффициент запаса (устанавливается на основании предварительных технологических испытаний в технологическом регламенте эксплуатации водоочистных сооружений).
1
Величина C определяется в соответствии с п.6.65 [3] по формуле:
где: М - мутность исходной воды;
к
К - коэффициент, характеризующий вид используемого коагулянта;
к
Д - доза коагулянта по безводному продукту;
Ц - цветность исходной воды;
и
В - количество нерастворимых веществ, вводимых в исходную воду с подщелачиваемым реагентом.
2
Величина С определяется по формуле:
1
1
где: М и Ц соответственно мутность и цветность очищенной воды на выходе из контактного осветлителя;
1
Д - величина остаточного коагулянта в воде на выходе из контактного осветлителя.
Для обеспечения соответствия результатов экспресс-контроля цветности, мутности и щелочности исходной воды результатам экспресс-контроля цветности, мутности и остаточного коагулянта на выходе из контактного осветлителя (в режиме реального времени для одного и того же объема воды) промежуток времени между измерениями определялся по формуле:
см
где: T - время пребывания воды в смесителе;
1
H - толщина фильтрующего слоя в контактном осветлителе;
2
H - толщина надфильтрового слоя воды в контактном осветлителе;
V - скорость фильтрования в момент проведения экспресс-контроля на выходе из контактного осветлителя.
Р
Для определения величины коэффициента запаса (К) отбирались и затем отмывались пробы фильтрующей загрузки. Вода после отмывки фильтровалась через бумажный фильтр. Задержанная взвесь высушивалась и взвешивалась. Полученный результат сравнивался с величиной Г, вычисленной по формуле, приведенной выше. Расхождения результатов находились в пределах от 6% до 19%. Поэтому величина К принималась равной 1,2.
В процессе исследований, выполненных в соответствии с приведенной выше технологией, продолжительность фильтроцикла (промежуток времени между промывками) находилась в пределах от 27 до 52 часов. Существующий традиционный технологический регламент предусматривает проведение промывок 1 раз в сутки, а в отдельные периоды - 2 раза в сутки. Таким образом, данная технология позволяет значительно увеличить производительность очистных сооружений за счет увеличения продолжительности фильтроцикла и сокращения количества промывок.
Регулирование времени и интенсивности промывки фильтрующей загрузки на основе седиментационного экспресс-анализа взвеси на выходе из контактного осветлителя в режиме реального времени позволяет обеспечить практически полную очистку фильтрующей загрузки от задержанной взвеси. Это, в свою очередь, дает возможность повысить надежность работы сооружений и обеспечит условия, при которых не потребуется сбрасывать первый фильтрат в канализацию. Следовательно, этот фактор также способствует увеличению производительности сооружений.
с
р
р
2
В технологическом регламенте эксплуатации водоочистных сооружений на основании предварительных технологических испытаний определяется гидравлическая крупность верхних слоев фильтрующей загрузки ГК. В соответствии с требованием п.6.133 [3] в начальный период устанавливалась минимальная интенсивность подачи воды на промывку 15 л/(с·м). В процессе седиментационного экспресс-анализа определялась гидравлическая крупность взвеси, выносимой из фильтрующей загрузки, и концентрация этой взвеси в промывной воде (мутность). Если гидравлическая крупность взвеси была значительно меньше гидравлической крупности фильтрующей загрузки, то при необходимости увеличивалась интенсивность промывки. Кроме того, по результатам седиментационного экспресс-анализа контролировалось количество удаленной из загрузки взвеси. Эта величина сравнивалась с величиной Г на момент начала промывки. Промывка заканчивалась в тот момент, когда количество удаленной из загрузки взвеси приближалось к величине Г, а концентрация этой взвеси в промывной воде не превышала 1,5 мг/л. Благодаря таким условиям имелась возможность в начале следующего фильтроцикла отказаться от сброса в канализацию первого фильтрата. Этот фактор также способствует увеличению производительности сооружений. Продолжительность промывки во всех случаях была менее 8 минут.
Указанная цель достигается тем, что устройство для очистки воды, включающее смеситель, контактный осветлитель, трубопроводы подачи исходной, промывной и очищаемой воды, трубопроводы отвода промывной и очищенной воды, распределительную систему из перфорированных труб, поддерживающий слой, фильтрующий слой и переливной желоб, также содержит датчики остаточного коагулянта на трубопроводе подвода очищаемой воды, над поддерживающим слоем и в объеме фильтрующей загрузки, датчики мутности и цветности на трубопроводе исходной воды и на выходе воды из контактного осветлителя, датчик щелочности на трубопроводе подачи исходной воды, блок автоматического управления, соединенный проводниками с датчиками остаточного коагулянта, цветности, мутности, щелочности, седиментометр, установленный на выходе воды из контактного осветлителя, соединенный проводниками с блоком автоматического управления, установленные на всех трубопроводах задвижки являются электрифицированными и также связаны с блоком автоматического управления.
На фиг.1 показана схема предлагаемого устройства. Устройство содержит трубопровод подачи исходной воды 1 с расположенными на ней электрифицированной задвижкой 2, датчиками мутности 3, цветности 4, щелочности 5 и электрофоретической скорости 6, смеситель 7, трубу подачи очищаемой воды 8 с расположенными на ней датчиками коагулянта 9, электрофоретической скорости 10 и электрифицированной задвижкой 11, трубопровод подачи промывной воды 12 с электрифицированной задвижкой 13. Устройство также содержит контактный осветлитель 14, который состоит из нижнего кармана 15, поддерживающего слоя 16, внутри которого расположена распределительная система из перфорированных труб 17, фильтрующего слоя 18, к которому подсоединены датчики остаточного коагулянта 19 и 20, расположенные в двух уровнях, переливной желоб 21, к которому подсоединен седиментометр 22 и верхний карман 23, соединенный с трубопроводом отвода очищенной воды 24, на котором расположены электрифицированная задвижка 25, датчик мутности 26 и датчик цветности 27. Кроме того, верхний карман 23 соединен с трубопроводом отвода промывной воды 28, на котором расположена электрифицированная задвижка 29. В состав устройства входят также дозатор коагулянта 30 и блок автоматического управления 31, соединенный проводниками со всеми датчиками, электрифицированными задвижками и дозатором коагулянта.
Устройство для очистки воды методом контактной коагуляции работает следующим образом.
В соответствии с технологическим регламентом эксплуатации устройства в блок автоматического управления 31 введены следующие уставки:
с
- время пребывания воды в смесителе Т;
- начальная скорость фильтрования V;
мин
- минимальная допустимая скорость фильтрования V (рекомендуется 4 м/час);
макс
- максимальная допустимая скорость фильтрования V, устанавливается на основании предварительно проведенных исследований;
- шаг регулирования скорости фильтрования, определяется на основании предварительно проведенных исследований;
- максимальная допустимая величина остаточного коагулянта на уровне датчика 19, определяется на основании предварительно проведенных исследований;
- максимальная допустимая величина остаточного коагулянта на уровне датчика 20, определяется на основании предварительно проведенных исследований;
- грязеемкость фильтрующей загрузки контактного осветлителя Г;
- программа включений и выключений датчиков 3, 4, 5, 26 и 27;
- минимальная интенсивность подачи воды на промывку И, определяется на основании предварительно проведенных исследований;
макс
- максимальная допустимая интенсивность подачи воды на промывку И, определяется на основании предварительно проведенных исследований;
с
- гидравлическая крупность верхних слоев фильтрующей загрузки ГК;
макс
- максимальная допустимая гидравлическая крупность взвеси в промывной воде ГК, определяется на основании предварительно проведенных исследований;
пр
- максимальная продолжительность промывки Т, устанавливается в соответствии с п.6.133 [3] или на основании предварительно проведенных исследований;
в
- максимальная допустимая концентрация взвеси в питьевой воде (мутность) К, устанавливается в соответствии с нормативными документами.
с
Перед началом процесса фильтрования закрыты все электрифицированные задвижки. По сигналу блока автоматического управления 31 производится открытие задвижки 2 на трубопроводе подачи исходной воды 1, включение датчика электрофоретической скорости 6 и включение дозатора 30, а затем через промежуток времени Т включается датчик электрофоретической скорости 10 и постепенно открывается задвижка 11 до установления начальной скорости фильтрования V. После этого открывается задвижка 25 на трубопроводе отвода очищенной воды 24. Очищаемая вода, в которой обеспечено регулирование первой стадии процесса коагуляции по способу [1] и, следовательно, содержится оптимальная доза коагулянта, поступает в нижний карман 15 контактного осветлителя 14, затем через распределительную систему из перфорированных труб 17 попадает сначала в поддерживающий слой 16, а потом в фильтрующий слой 18. В процессе движения очищаемой воды снизу вверх происходит образование хлопьев взвеси и задержание их в порах фильтрующей загрузки. Очищенная вода поступает в переливной желоб 21, из него - в верхний карман 23, а затем в трубопровод отвода очищенной воды 24.
1
2
Управление процессом образования хлопьев взвеси и задержания их в порах фильтрующей загрузки осуществляется следующим образом. В тот момент, когда открывается задвижка 11, по сигналу блока автоматического управления 31 включаются в работу последовательно датчик коагулянта 9, датчик остаточного коагулянта 19 и датчик остаточного коагулянта 20. Сигналы, поступающие от этих датчиков в блок управления 31, контролируются в режиме реального времени следующим образом: от датчика 9 - сразу после включения, от датчика 19 - через промежуток времени t, равный времени движения воды от датчика 9 до датчика 19 и от датчика 20 - через промежуток времени t, равный времени движения воды от датчика 19 до датчика 20. На основании результатов экспресс-контроля, поступающих в блок управления 31, осуществляется регулирование этим блоком скорости фильтрования путем изменения открытия или закрытия задвижки 11.
р
Время переключения устройства с режима фильтрования на режим промывки определяется блоком управления в результате периодического сравнения величины Г, определяемой по формуле 2, с величиной Г при экспресс-контроле в режиме реального времени величин мутности, цветности и щелочности исходной и очищенной воды на основании соответствующих сигналов датчиков 3, 4, 5, 26 и 27.
Переключение на режим промывки осуществляется по сигналам блока управления следующим образом.
1. Закрываются задвижки 25 и 11 и отключаются датчики 9, 10, 19, 20, 26 и 27. При этом, учитывая, что согласно п.6.44, 6.99 и 6.131 [3] смеситель 7 обслуживает не менее двух контактных осветлителей, задвижка 2 остается открытой, а датчики 3, 4, 5 и 6 остаются включенными.
2. Плавно открываются задвижки 13 и 29 до установления минимальной интенсивности подачи воды на промывку И. Промывная вода проходит через нижний карман 15, распределительную систему из перфорированных труб 17, попадает сначала в поддерживающий слой 16, а потом в фильтрующий слой 18. При этом происходит расширение верхних слоев фильтрующей загрузки, и загрязнения (хлопья) выносятся с промывной водой в переливной желоб 21, затем попадают в верхний карман 23 и по трубе 28 выносятся из корпуса контактного осветлителя.
вз
вз
вз
с
макс
макс
Управление процессом промывки фильтрующей загрузки осуществляется следующим образом. В тот момент, когда открывается задвижка 29, по сигналу блока автоматического управления 31 включается в работу седиментометр 22. В процессе седиментационного экспресс-анализа определяется гидравлическая крупность взвеси ГК, выносимой из фильтрующей загрузки, и концентрация этой взвеси К в промывной воде (мутность). Величина ГК в блоке управления 31 сравнивается с величинами ГК и ГК. На основании этого сравнения плавно (синхронно) регулируется открытие задвижек 13 и 29 и, таким образом, интенсивность промывки увеличивается до величины И. Промывка заканчивается в двух случаях:
вз
1. когда по данным седиментационного экспресс-анализа концентрация взвеси в промывной воде уменьшится до величины К;
пр
2. когда продолжительность промывки составит Т.
После промывки по сигналу блока управления устройство переключается на режим фильтрования. Возможны два случая такого переключения.
вз
В первом случае (когда концентрация взвеси в промывной воде уменьшится до величины К) закрываются задвижки 13 и 29, постепенно открывается задвижка 11 до установления начальной скорости фильтрования V. После этого открывается задвижка 25 на трубопроводе отвода очищенной воды 24. Далее управление процессом осуществляется по технологии, приведенной выше. В этом случае сброс первого фильтрата не производится.
вз
Во втором случае (когда в процессе промывки не удалось концентрацию взвеси в промывной воде уменьшить до величины К) закрывается задвижка 13, затем постепенно открывается задвижка 11 до установления начальной скорости фильтрования V. Сброс первого фильтрата производится при открытой задвижке 29 по трубе 28 в соответствии с технологией, приведенной в п.6.133 [3]. После сброса первого фильтрата закрывается задвижка 29 и открывается задвижка 25 на трубопроводе отвода очищенной воды 24. Далее управление процессом осуществляется по технологии, приведенной выше.
По сравнению с аналогами и прототипом способ и устройство по изобретению обладает следующими преимуществами:
- обеспечивается гибкое автоматическое управление всеми технологическими процессами в режимах реального времени;
- повышается надежность очистки воды коагуляцией;
- повышается производительность сооружений;
- уменьшается содержание остаточных коагулянтов в очищенной воде;
- значительно сокращаются эксплуатационные затраты.
Изобретение можно использовать для питьевого и технического водоснабжения.
Библиографический список
1. Способ регулирования процесса коагуляции воды. Заявка №2009134999. Решение о выдаче патента на изобретение от 11.11.2010.
2. Устройство для очистки воды и сточных вод. Патент на изобретение RU 2317129. Опубл 20.02.2008 г., Бюл. №5.
3. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения/Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1985. - 136 с.