СПОСОБ ОСВЕТЛЕНИЯ И ОБЕСЦВЕЧИВАНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CLARIFICATION AND DECOLORIZATION OF NATURAL WATERS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к области осветления и обесцвечивания природных вод и могут быть применены в процессах водоподготовки для питьевых и технических целей.
Известны способы осветления и обесцвечивания природных вод с применением коагулянтов, флокулянтов, подщелачивающих реагентов в различных технологических схемах сооружений [1]. Эти способы являются громоздкими, высокозатратными, практически неуправляемыми, ненадежными. Основной недостаток этих способов заключается в необходимости использования значительного количества различных реагентов, остаточное содержание которых может нанести вред здоровью потребителей.
Известен также способ, обеспечивающий гибкое регулирование процессов коагуляции в режимах реального времени путем непрерывного контроля агрегативной устойчивости взвеси, осуществляемый с помощью экспресс-измерения электрофоретической скорости движения частиц и сравнения ее с величиной электрофоретической скорости соответствующей нижнему порогу коагуляции [2]. При применении этого способа повышается надежность очистки воды коагуляцией, сокращается расход реагентов и уменьшается содержание остаточных реагентов в очищенной воде. Однако этот способ также является громоздким и высокозатратным.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ очистки маломутных цветных вод, включающий напорную флотацию перед коагуляцией в течение не менее 15 мин. при содержании воздуха в водовоздушной смеси не менее 1,5% от объема обрабатываемой воды и давлении не менее 0,6 МПа в напорной емкости, где смесь содержится не менее 10 мин. перед подачей в обрабатываемую флотацией воду, толщина слоя которой должна быть не менее 1 м [3]. При такой обработке воды уменьшается агрегативная устойчивость взвеси, что позволяет уменьшить дозу коагулянта, снизить содержание остаточного алюминия в очищенной воде в 3-5 раз и ускорить процесс коагуляции. Максимальный эффект при осуществлении данного способа обеспечивался при уменьшении дзета-потенциала взвеси с -46 мВ до -21 мВ, что близко к нижнему порогу коагуляции [4, стр. 80-85; стр. 384].
Основным недостатком данного способа является необходимость использования реагентов для коагуляции воды.
Наиболее близкой к предлагаемому устройству является установка для забора и очистки воды из поверхностных водоисточников [5], содержащая блок управления, источник постоянного тока, подводный водоприемник с насосом, подсоединенным к водоподъемной трубе, не менее двух закрытых сверху камер, каждая из которых оборудована электродами, в верхней части воздушными вантузами, а также электромагнитными обратными клапанами.
Основными недостатками данной установки являются:
1. Громоздкость устройства из-за наличия компрессора, подводного струйного аппарата, флотационной емкости с перфорированной трубчатой системой, переходной камеры и напорной емкости, расположенной в нижней части водоприемника.
2. Возможность переноса с общим потоком очищенной воды в водоприемную камеру частиц взвеси, обуславливающих мутность воды и коллоидных частиц, обуславливающих ее цветность, которые сконцентрированы в объеме воды ниже отверстия между камерой электрофореза и водоприемной камерой.
Техническим результатом изобретений является повышение надежности за счет полной автоматизации всех процессов и введения системы гибкого управления процессами очистки воды, обеспечение безопасности питьевой воды благодаря исключению использования реагентов, компактность оборудования, уменьшение строительных и эксплуатационных затрат.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе процесс коагуляции воды обеспечивается только физической обработкой (без применения химических реагентов), физическую обработку осуществляют в рабочих закрытых камерах электрокоагуляции путем воздействия на обрабатываемую воду постоянного электрического поля при градиентах потенциала в пределах от 4 В/см до 8 В/см, расстоянии между кольцевыми неполяризующимися электродами, расположенными в нижней части каждой камеры, от 1 см до 2 см, причем, внизу располагают анод, а сверху катод и включают по сигналу блока управления источник постоянного тока, который подает на кольцевые неполяризующиеся электроды разность потенциалов с начальным градиентом потенциала 8 В/см, затем прекращают подачу разности потенциалов, воду подают в камеры фильтрования, затем включают погружной электронасос и открывают электрическую задвижку на водоподъемной трубе, осуществляя контроль датчиком расхода очищенной воды, по сигналу блока управления производят отбор пробы воды с помощью пробоотборного устройства и определяют дзета-потенциал взвеси, мутность и цветность очищенной воды блоком контроля качества воды, соединенным с блоком управления, если какой-либо из указанных показателей не соответствует требованиям технологического регламента, осуществляют постепенное уменьшение градиента потенциала на 0,5 В/см до 4 В/см с одновременным уменьшением расхода путем уменьшения открытия задвижки и подключения незадействованных рабочих камер электрокоагуляции, при улучшении показателей мутности и цветности очищенной воды задвижку постепенно открывают до начальной позиции, если необходимого результата по мутности и цветности не удается обеспечить, последовательно увеличивают время пребывания обрабатываемой воды в камерах электрокоагуляции за счет подключения резервных камер.
Устройство содержит блок контроля качества воды с пробоотборными устройствами для отбора проб исходной воды из водоисточника и очищенной воды из водоподъемной трубы, датчик расхода очищенной воды, камеры фильтрования с фильтрующими перегородками, расположенными под рабочими и резервными закрытыми камерами электрокоагуляции, причем, во всех камерах электрокоагуляции в верхней и в нижней части, а также в камерах фильтрования установлены электромагнитные обратные клапаны, трубы подачи промывной воды в камеры фильтрования, соединенные с водоподъемной трубой, блок управления соединен проводниками с блоком контроля качества воды, источником постоянного тока, датчиком расхода очищенной воды, погружным электронасосом, всеми электромагнитными обратными клапанами, а источник постоянного тока соединен проводниками с электродами во всех камерах электрокоагуляции.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство содержит блок контроля качества воды с пробоотборными устройствами для отбора проб исходной воды из водоисточника и очищенной воды из водоподъемной трубы, датчик расхода очищенной воды, камеры фильтрования с фильтрующими перегородками, расположенными под рабочими и резервными закрытыми камерами электрокоагуляции, причем, во всех камерах электрокоагуляции в верхней и в нижней части, а также в камерах фильтрования установлены электромагнитные обратные клапаны, трубы подачи промывной воды в камеры фильтрования, соединенные с водоподъемной трубой, блок управления соединен проводниками с блоком контроля качества воды, источником постоянного тока, датчиком расхода очищенной воды, погружным электронасосом, всеми электромагнитными обратными клапанами, а источник постоянного тока соединен проводниками с электродами во всех камерах электрокоагуляции.
Для определения оптимальных условий процесса безреагентной электрокоагуляции выполнено два цикла исследований. В первом цикле определялись параметры процессов коагуляции при использовании искусственно приготовленных проб воды: в природную воду, которая не подвергалась ранее коагуляции, добавлялись различные дозы замутнителя (каолиновая глина) и гумат натрия для моделирования цветности воды. Второй цикл исследований заключался в определении параметров процесса коагуляции при использовании проб воды из реки Вологды, отобранных в течение различных периодов 2015 года.
Пример 1.
Для осветления и обесцвечивания искусственной пробы воды объемом 1 л в прозрачной емкости, имеющей мутность М=350 мг/л и цветность Ц=220 град. ПКШ при толщине обрабатываемого слоя воды 40 см и градиенте потенциала 6 В/см, исследовалось влияние на процесс хлопьеобразования места расположения кольцевых электродов и расстояния между ними L, см. При этом визуально наблюдались все стадии процесса коагуляции: помутнение, образование мелких хлопьев, образование крупных хлопьев, начало оседания хлопьев и фиксировалась продолжительность процесса В, мин. После последней стадии производилось фильтрование воды. Результаты приведены в таблице 1.
На основании полученных результатов, приведенных в таблице, можно сделать следующие выводы:
1. Необходимый эффект от безреагентной коагуляции воды можно получить при расположении кольцевых электродов возле дна емкости, при этом анод должен быть расположен ниже катода (см. пример 2).
2. Расстояние между электродами должно быть в пределах от 1 см до 2 см. Аналогичные результаты были получены при определении параметров безреагентной электрокоагуляции в отношении проб воды из реки Вологды.
Пример 2.
Контроль за процессом коагуляции осуществлялся визуально путем определения продолжительности каждой стадии коагуляции (помутнение, образование мелких хлопьев, образование крупных хлопьев, начало осаждения), определения дзета-потенциала взвеси в исходной воде (ДП исх.) и на последней стадии (ДП оч.) при толщине обрабатываемого слоя воды 40 см, расстоянии между электродами, расположенными возле дна емкости, 2 см и градиенте потенциала 6 В/см. При этом анод располагался ниже катода. Кроме того, определялась мутность и цветность исходной воды (M1 и Ц1), а также мутность и цветность очищенной воды после фильтрования через пористую перегородку (М2 и Ц2).
В таблице 2 приведена выборка результатов таких исследований для проб исходной воды из реки Вологда, выполненных в 2015 году.
Теоретически полученные результаты можно объяснить следующим образом. Процесс электрокоагуляции можно считать совокупностью трех одновременно протекающих процессов:
1. Поляризационная коагуляция (электростатическая) происходит за счет взаимодействия коллоидных частиц под влиянием дальнодействующих сил притяжения при наложении электрического поля.
2. Гидродинамическая коагуляция - слипание частиц за счет увеличения числа их столкновений при движении очищаемой жидкости.
3. Концентрационная коагуляция - увеличение числа столкновений частиц, приводящих к их слипанию за счет повышения локальных концентраций частиц в межэлектродном пространстве.
Кроме того, как видно из таблицы 2, в большинстве случаев, когда величина дзета-потенциала в исходной воде была более - 45 мВ, наблюдалось уменьшение продолжительности первой стадии и суммарной продолжительности всего процесса коагуляции. Объяснить это можно тем, что чем больше абсолютная величина дзета-потенциала, тем больше скорости передвижения коллоидных и взвешенных частиц в постоянном электрическом поле, тем, следовательно, эффективней процесс коагуляции.
Пример 3.
Исследовалось влияние температуры исходной воды на процессы безреагентной коагуляции. Для одних и тех же проб перед началом исследований изменялась температура воды. Определялась общая продолжительность всех стадий коагуляции, а также дзета-потенциал, мутность и цветность очищенной воды.
Результаты приведены в таблице 3.
На основании результатов, приведенных в таблице 3, можно сделать вывод о том, что существенные разницы температур одних и тех же проб исходной воды практически не влияют на характеристики очищенной воды по показателям мутности, цветности и дзета-потенциала. Это значительно расширяет возможности применения предлагаемого способа, так как при использовании реагентных методов коагуляции температура исходной воды оказывает значительное влияние на технологические процессы осветления и обесцвечивания [1, с. 22-23].
Пример 4.
Исследовалось влияние различных величин градиентов потенциала (ГП) на эффективность и продолжительность процессов безреагентной коагуляции, а также на качество очищенной воды. Результаты приведены в таблице 4.
На основании результатов, приведенных в таблице 4, можно сделать следующие выводы:
1. При всех градиентах потенциала (от 3 мВ до 9 мВ) визуально наблюдались все стадии коагуляции.
2. Требования к качеству питьевой воды по показателям мутности и цветности обеспечивались при градиентах потенциала от 4 мВ до 8 мВ.
3. Минимальные затраты времени на процесс коагуляции отмечались при градиенте потенциала 8 мВ.
4. Ухудшение процесса коагуляции при градиентах потенциала более 8 мВ объясняется значительной интенсивностью выделения из воды пузырьков газа.
Пример 5.
Исследовалось влияние на эффективность процесса безреагентной коагуляции объема и толщины слоя обрабатываемой воды при использовании одних и тех же кольцевых электродов. Результаты приведены в таблице 5.
На основании результатов, приведенных в таблице 5, можно сделать следующие выводы:
1. При использовании одних и тех же кольцевых электродов максимальный объем обрабатываемой воды в одной емкости, при котором обеспечивается ее осветление и обесцвечивание, составляет 2 литра.
2. Толщина слоя воды не оказывает существенного влияния на процесс очистки воды.
3. С экономической точки зрения предпочтительным является объем 2 литра, так как средние затраты времени на очистку одного литра воды меньше, чем при объеме 1 литр, следовательно, затраты электроэнергии также меньше.
Предлагаемый способ реализуется в водозаборно-очистном устройстве для осветления и обесцвечивания природных вод. На фиг. 1 приведена общая схема устройства, на фиг. 2 - схема устройства в плане.
Устройство содержит блок управления 1, блок контроля качества воды 2 для измерения дзета-потенциала взвеси, мутности и цветности исходной и очищенной воды, источник постоянного тока 3, датчик расхода очищенной воды 4, расположенный на водоподъемной трубе 14 перед электрической задвижкой 5, подводный водоприемник 6 цилиндрической формы с закрытыми камерами электрокоагуляции 7, в нижней части каждой из которых размещены кольцевые неполяризующиеся электроды 8, а на верхней части воздушный вантуз 9, предназначенный для удаления из воды пузырьков газа малыми порциями. Под камерами электрокоагуляции 7 расположены камеры фильтрования 10, каждая из которых оборудована фильтрующей перегородкой 11, например, из полипропилена. В центральной части подводного водоприемника 6 расположена цилиндрическая водоприемная камера 12 с погружным электронасосом 13, подсоединенным к водоподъемной трубе 14 и трубе для подачи промывной воды 15 в камеры фильтрования. Кроме того, подводный водоприемник 6 оснащен электромагнитными обратными клапанами 16 и 17 на верхней и в нижней части камер электрокоагуляции 7, 18 - в трубах для подачи промывной воды, 19 - при входе очищенной воды в цилиндрическую водоприемную камеру 12 и 20 - для выпуска промывной воды в водоем. Для подачи воды в блок контроля качества воды 2 предусмотрены два пробоотборных устройства: 21 - для отбора проб исходной воды из водоисточника и 22 - для отбора проб очищенной воды из водоподъемной трубы 14. Подводный водоприемник 6 расположен на горизонтальной плите 23. Блок управления 1 соединен проводниками с блоком контроля качества воды 2, источником постоянного тока 3, датчиком расхода очищенной воды 4, погружным электронасосом 13, электромагнитными обратными клапанами 16, 17, 18, 19 и 20, а источник постоянного тока 3 соединен проводниками с электродами во всех камерах электрокоагуляции.
Количество камер электрокоагуляции определяют расчетом в зависимости от требуемой производительности устройства и времени пребывания воды в камерах. Для обеспечения надежной работы устройства кроме рабочих камер электрокоагуляции предусмотрены резервные камеры на случай, если возникнет необходимость увеличить время пребывания воды в этих камерах.
Устройство работает следующим образом. В соответствии с техническим регламентом эксплуатации в блок управления 1 введены следующие установки:
- предельные величины градиентов потенциала;
- периодичность измерения дзета-потенциала исходной воды (определяются по результатам предпусковых испытаний);
2
3
4
- последовательность включения в работу камер электрокоагуляции, продолжительность их наполнения Т1, продолжительность обработки воды в них Т, продолжительность обработки воды в камерах фильтрования Т и продолжительность процесса промывки фильтрующих перегородок Т (определяются по результатам предпусковых испытаний);
- ориентировочная зависимость между величиной дзета-потенциала исходной воды и начальными условиями электрокоагуляции: начальный градиент потенциала и время пребывания воды в камерах электрокоагуляции (определяются по результатам предпусковых испытаний);
- предельные величины дзета-потенциала частиц взвеси в очищенной воде, соответствующие оптимальным условиям электрокоагуляции (определяются по результатам предпусковых испытаний);
- алгоритмы управления электромагнитными обратными клапанами 16, 17, 18, 19 и 20 (определяются по результатам предпусковых испытаний);
- график включений и выключений погружного электронасоса 13;
- график расходов воды на выходе из устройства;
- предельные величины начального и конечного открытия электрической задвижки 5 (определяются по результатам предпусковых испытаний);
- промывной расход и продолжительность промывки камеры фильтрования 10 (определяются по результатам предпусковых испытаний).
1
2
Перед началом работы закрыты: задвижка 5, электромагнитные обратные клапаны 16, 17, 18, 19 и 20, отключены: источник постоянного тока 3 и погружной электронасос 13. По сигналу блока управления 1 открываются электромагнитные обратные клапаны 16 в рабочих камерах электрокоагуляции 7. Эти камеры заполняются исходной водой из источника, после чего через промежуток времени Т электромагнитные обратные клапаны 16 закрываются. Затем по сигналу блока управления 1 включается источник постоянного тока 3, который подает на кольцевые неполяризующиеся электроды 8 разность потенциалов с начальным градиентом 8 В/см.. Подача разности потенциалов может осуществляться одновременно во все рабочие камеры, либо попеременно в зависимости от графика подачи воды потребителям в соответствии с технологическим регламентом. При этом, выделяющиеся из воды под воздействием постоянного электрического поля пузырьки газа удаляются из камер электрокоагуляции 7 малыми порциями с помощью воздушного вантуза 9. Через промежуток времени Т отключается подача разности потенциалов на электроды 8, открываются последовательно электромагнитные обратные клапаны 17 и 19. Вода после коагуляции поступает в камеры фильтрования 10, где частицы взвеси (скоагулированные хлопья) задерживаются на фильтрующей перегородке 11. Затем включается погружной электронасос 13 и происходит начальное открытие электрической задвижки 5 на водоподъемной трубе 14, которое контролируется датчиком расхода очищенной воды 4. Очищенная вода поступает сначала в цилиндрическую водоприемную камеру 12 подводного водоприемника 6, а затем погружным электронасосом 13 по водоподъемной трубе 14 осуществляется подача очищенной воды потребителям. Одновременно с началом подачи воды потребителям по сигналу блока управления 1 производится отбор пробы воды с помощью пробоотборного устройства 22 и блоком контроля качества воды 2 определяются дзета-потенциал взвеси, мутность и цветность очищенной воды. Если какой-либо из этих показателей не соответствует требованиям технологического регламента, осуществляется пошаговое регулирование технологического процесса: постепенное уменьшение градиента потенциала через определенные промежутки времени на 0,5 В/см до 4 В/см с одновременным уменьшением открытия задвижки 5 (уменьшение расхода) и подключением незадействованных рабочих камер электрокоагуляции 7. При улучшении показателей мутности и цветности очищенной воды открытие задвижки 5 постепенно увеличивается до начальной позиции. Если необходимого результата по мутности и цветности не удается обеспечить, последовательно увеличивается время пребывания обрабатываемой воды в камерах электрокоагуляции за счет подключения резервных камер.
3
4
Через промежуток времени Т осуществляется переключение камеры фильтрования 10 на промывку. Для этого по сигналу блока управления 1 закрываются электромагнитные обратные клапаны 19 и 17, затем открываются электромагнитные обратные клапаны 18 и 20. Осуществляется промывка фильтрующей перегородки 11 обратным движением воды снизу вверх, поступающей в камеру фильтрования 10 по трубе подачи промывной воды 15 в течение промежутка времени Т.
По сравнению с прототипами новые способ и устройство обладают следующими преимуществами:
1. Высокая надежность процесса осветления и обесцвечивания воды за счет полной автоматизации и гибкого автоматического управления.
2. Обеспечивается гарантированное качество очищенной воды независимо от мутности, цветности и температуры исходной воды.
3. Расширяются возможности применения за счет компактности оборудования.
4. Значительно снижается строительная стоимость устройства за счет его малых габаритов.
5. Уменьшаются эксплуатационные затраты за счет полной автоматизации, отсутствия необходимости в использовании расходных материалов (реагенты, растворимые электроды) и минимальных затрат электроэнергии на очистку.
Изобретение можно использовать для питьевого и технического водоснабжения.
Устройства могут быть заводского серийного изготовления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Строительные нормы и правила. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения,, СНиП 2.04.02-84. Введ. 01.01.86. - М.: Стройиздат, 1985. - с. 21-36.
2. Патент на изобретение РФ 2415814. Способ регулирования процесса коагуляции воды. Опубликовано 10.04.2011. Бюл. №10.
3. Патент на изобретение РФ 2142419. Способ очистки маломутных цветных вод. Опубликован 10.12.1999. Бюл. №35
4. Чудновский С.М. Применение электрокинетических показателей в технологии осветления природных и сточных вод. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Новочеркасск. 1978 г.
5. Патент на изобретение РФ 2453659. Установка для забора и очистки воды из поверхностных водоисточников. Опубликован 20.06.2012. Бюл. №17.
6. Таубе П.Р., Баранова А.Г. Химия и микробиология воды: Учебник для студентов вузов. - М. Высш. шк., 1983, - 280 с. (с. 137).