СПОСОБ ВВЕДЕНИЯ КОАГУЛЯНТА В ПРОЦЕССЕ ВОДОПОДГОТОВКИ
METHOD OF INTRODUCING COAGULANT IN THE WATER TREATMENT PROCESS

Настоящее изобретение относится к водоподготовке и водоочистке в процессах, в которых используют коагуляцию и насыщение жидкими и газообразными компонентами для очистки и обеззараживания питьевой и сточной воды в трубопроводах и бассейнах.
В настоящее время очистка природных и сточных вод проводится в соответствии с рекомендациями, приведенными в:
- СНиП 2.04.02-84, Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. - М. Стройиздат, 1985. С. 136,
- СНиП 2.04.03-85, Канализация. Наружные сети и сооружения. - М. СИТП Госстрой СССР, 1986. С. 72.
Известны и другие способы очистки вод, приведенные в работах:
- Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. - М. Наука. 1977, с. 356,
- Справочник по свойствам и методам анализа и очистки воды. Кольский Л.А. и др., ч. I и ч. II. - Киев: Наукова Думка. 1980. С. 1206,
- Кольский Л.А. Теоретические основы и технология кондиционирования воды. - Киев. Наукова Думка. 1983. С. 528,
- Справочник (проектировщика). Канализация населенных мест и промышленных предприятий. Под ред. В.Н. Самохина. - М.: Стройиздат. 1981. С. 639;
- Справочник по очистке природных и сточных вод. Л.Л. Пааль, Я.Я. Кару, Х.А. Мендер, Б.Н. Репин. - М.: Высш. шк., 1994. С. 336,
- Луценко Г.Н. Цветкова А.И., Свердлов Н.Ш. Физико-химическая очистка городских сточных вод. - М.: Стройиздат, 1984, С. 89,
- Малкин В.П, Иванов П.В. Очистка сточных вод от тяжелых металлов. / Методы и сооружения для локальной очистки производственных сточных вод. - М.: Стройиздат, 1983. С. 79,
- Малкин В.П. Технологические аспекты очистки промстоков, содержащих ионы тяжелых металлов. - Иркутск: Изд-во Иркутского университета, 1991. С. 63.
При этом руководствуются следующим документом: «Указания по применению технологии очистки воды на контактных осветителях с использованием оптимальных режимов перемешивания коагулянта с водой» / Утверждено приказом Министерства жилищно-коммунального хозяйства РСФСР от 4 октября 1986 г. №431, Отдел научно-технической информации АКХ, Москва 1986.
Согласно этим указаниям, один из путей интенсификации технологии контактного осветления воды - совершенствование процесса перемешивания реагентов-коагулянтов с водой. Приведены данные по проектированию устройств для распределения реагентов в очищаемой воде и гидравлических смесителей коагулянта с водой. Так, очистка воды поверхностных источников с высокой цветностью, низким содержанием взвеси и низкой температурой на протяжении значительной части года (воды озер, водохранилищ, рек северных, северо-западных и некоторых других районов страны) обычно осуществляется с помощью контактной коагуляции взвеси в фильтрующей среде. Такая технология реализуется при использовании одноступенчатых схем очистки воды на контактных осветлителях и схем двухступенчатого фильтрования с контактными префильтрами и фильтрами.
При этом одним из путей интенсификации технологии контактного осветления является совершенствование процесса введения и перемешивания коагулянта с водой. Этот процесс перемешивания коагулянта с водой обычно строится в две стадии: 1) смешивание коагулянта с водой с целью его быстрого и равномерного распределения в объеме обрабатываемой воды; 2) последующее интенсивное перемешивание воды, способствующее образованию зародышей хлопьев и влияющее на дальнейшее образование отложений в фильтрующей загрузке. Обеспечение быстрого распределения коагулянта в объеме обрабатываемой воды на первой стадии позволяет получить экономию коагулянта на 10-20% или добиться более высокого эффекта очистки воды при той же дозе коагулянта. Это достигается путем полного использования промежуточных продуктов гидролиза коагулянта и усиления процесса взаимной коагуляции продуктов гидролиза коагулянта и частиц загрязнений. Оптимальная интенсивность перемешивания зависит от качества обрабатываемой воды (мутности, цветности, температуры). Выбор и уточнение оптимальных режимов перемешивания определяют экспериментально для каждого конкретного водоисточника. Таким образом, общеизвестно, что при промышленной водоподготовке базовым является процесс осаждения/коагуляции/фильтрации, детально описанный в значительном числе публикаций. При этом процесс коагуляции требует активного перемешивания (механическим способом, циркуляцией системы, ультразвуком, насосами вихревого типа и т.п.) в течение требуемого времени. Для ускорения процесса коагуляции в систему вводят раствор коагулянта (например, сернокислый алюминий), и систему дополнительно перемешивают в течение заданного времени. Затем систему перекачивают в осветлитель, где отстаивают в течение нескольких часов, в результате чего формируются две фазы: одна - нижняя - осадок, и верхняя - отстой воды. Каждую часть потом подвергают анализу. Таким образом, известные способы введения коагулянта в процесс водоподготовки основаны на активном перемешивании коагулянта с водой, в частности, с помощью ультразвука.
Известен процесс «Смешивание коагулянтов с водой. Электронный ресурс. Режим доступа к ресурсу:» (см. http://fortisgroup.livejournal.com/6021.html - свободный. Опубл. 13.10.2012). Согласно ему при водоподготовке введение коагулянта является процессом перемешивания коагулянта с водой. При рассмотрении процесса перемешивания коагулянта с водой выделяют две стадии: 1) смешивание коагулянта с водой с целью его быстрого и равномерного распределения в объеме обрабатываемой воды; 2) последующее интенсивное перемешивание воды, способствующее образованию зародышей хлопьев и влияющее на дальнейшее образование отложений в фильтрующей загрузке.
Обеспечение быстрого распределения коагулянта в объеме обрабатываемой воды на первой стадии позволяет получить экономию коагулянта на 10-20% или добиться более высокого эффекта очистки воды при той же дозе коагулянта. Это достигается путем полного использования промежуточных продуктов гидролиза коагулянта и усиления процесса взаимной коагуляции продуктов гидролиза коагулянта и частиц загрязнений.
Изменение интенсивности перемешивания после введения коагулянта в воду на второй стадии дает возможность воздействовать на физико-химические свойства образующихся хлопьев (размер, плотность, прочность, способность к прилипанию), что приводит к повышению грязеемкости фильтрующей загрузки и увеличению продолжительности фильтроцикла на 30-40%. Оптимальная интенсивность перемешивания зависит от качества обрабатываемой воды (мутности, цветности, температуры). Выбор и уточнение оптимальных режимов перемешивания обычно устанавливают экспериментально для каждого конкретного водоисточника.
На основании вышеизложенного необходимо отметить, что при коагулировании примесей воды необходимо принудительно осуществлять быстрое и равномерное распределение реагентов в ее объеме. Это, как считается, обеспечивает максимальный контакт частиц примесей с промежуточными продуктами гидролиза коагулянта (которые существуют в течение короткого промежутка времени), так как процессы гидролиза, полимеризации и адсорбции протекают, например, в течение 1 с.
Перекинетическая (молекулярно-кинетичесская) коагуляция заканчивается, когда частицы достигают размера 1…10 мкм, что практически совпадает с периодом быстрого распределения коагулянта в обрабатываемой воде в смесителях. Однако наблюдается и неэффективное смешение коагулянта с водой, что приводит к перерасходу коагулянта и малой скорости агломерации примесей воды при данной дозе реагента. Это происходит из-за принудительного осуществления перемешивания коагулянта с водой, когда в большой массе воды и при повышенном ее потоке искусственно создают хаотичное образование турбулентных завихрений слоев воды, в которых осуществляется растворение коагулянта. Причем это растворение происходит скорее принудительно, чем в естественных условиях. Следовательно, необходимо создать оптимальный режим работы смесителей, при котором коагулянт вступил бы в соприкосновение с максимальным числом частиц примесей воды до того, как закончатся реакции гидролиза и полимеризации. Для равномерного и быстрого смешения реагентов с водой их следует вводить в зонах наибольшей турбулентности потока в нескольких точках его сечения. Для смешения реагента с водой необходимо предусматривать реагентораспределители (устройства ввода реагентов, например, коагулянтов), обеспечивающие их быстрое равномерное распределение в подающем канале или трубопроводе, и смесители, где происходит последующее интенсивное смешение введенных реагентов с обрабатываемой водой. Реагентораспределители рекомендуется выполнять в виде перфорированных трубчатых систем или вставок в трубопровод, представляющих собой местные сопротивления. Потерю напора в трубопроводе при установке указанных устройств соответственно принимают равной 0,1…0,2 и 0,2…0,3 м.
Смешение реагентов с обрабатываемой водой производят в смесительных устройствах (сопла Вентури, диафрагмы), трубчатых смесителях или в специальных сооружениях-смесителях, которые должны удовлетворять требованию быстрого и полного смешения реагентов со всей массой воды (т.е. время пребывания воды 1…3 мин.). Смесители подразделяют на гидравлические и механические. К числу гидравлических смесителей, наиболее хорошо зарекомендовавших себя на практике, следует отнести: коридорного типа (с вертикальным или горизонтальным движением воды); дырчатый, перегородчатый с разделением потока, вертикальный (вихревой). Выбор типа смесителя обосновывается компоновкой водоочистной установки с учетом ее производительности и метода обработки воды, а также конструктивными и технологическими соображениями.
В качестве прототипа выбирается изобретение, относящееся к водоподготовке и водоочистке, а именно, к способу очистки питьевой и сточной воды в открытых бассейнах и трубопроводах (патент №21658 91, МПК C02F 1/36, C02F 1/52, C02F 1/72, опубл. 27.04.2001). Этот способ включает подачу реагента в очищаемую воду, находящуюся в трубопроводе. При этом возбуждают акустические колебания в очищаемой жидкости и одновременно создают вакуумную зону вследствие пропускания очищаемой воды через гидроакустический излучатель. Таким образом, создают принудительное активное смешивание коагулянта с водой.
Однако он имеет существенный недостаток. Введение коагулянта для водоподготовки требует повышенных энергозатрат, применения дополнительных устройств. При этом существенного снижения расхода коагулянта не происходит. Увеличение интенсивности принудительного перемешивания в воде коагулянта путем возбуждения акустических колебаний в жидкости с одновременным образованием вакуумной зоны в ней при применении гидроакустического излучателя влечет активное увеличение ввода в воду коагулятора. Очевидно, применять такой способ введения коагулянта при водоподготовке, когда имеют место малые скорости (например, 0,2…0,5 м/с) потока воды, не представляется возможным без дополнительной активации перемешивания коагулянта в воде. Это особенно неприемлемо, когда водоподготовкой следует заниматься в условиях пригородов, в сельских поселках.
Задачей настоящего изобретения является создание нового способа для введения коагулянта в процессе водоподготовки с достижением следующего технического результата, а именно, осуществлять перемешивание растворов химреагента в обрабатываемой воде (коагулянта, флокулянта) при малых скоростях потока (0,2…0,5 м/с) без дополнительной активации в условиях естественного не принудительного растворения в воде коагулянта.
Поставленная задача решена следующим образом. Известный способ введения коагулянта в процессе водоподготовки включает подачу коагулянта и/или окисляющего реагента в очищаемую воду, находящуюся в трубопроводе, и активирование коагулянта в воде путем перемешивания его в воде.
Согласно настоящему изобретению используют энергию потока воды в трубопроводе, с помощью которой в зоне ввода коагулянта в поток по его поперечному сечению создают равномерно распределенные по поперечному сечению потока завихренные струи воды, относительно их подают коагулянт с возможностью по крайней мере частичного самозахвата его этими струями и перемещение образованной смеси к следующей зоне, где в этой смеси турбулентные струи воды с коагулянтом дробят на меньшие аналогичные образования с увеличением самозахвата турбулентными струями воды коагулянта, образуя активное перемешивание коагулянта в воде.
Возможен вариант, по которому при дроблении смеси турбулентных струй с коагулянтом в упомянутой зоне в нее дополнительно вводят коагулянт с возможностью его самозахвата раздробленными турбулентными струями воды.
Такое новое техническое решение позволяет получить способ ввода коагулянта в процессе водоподготовки, реализация которого основана по крайней мере на двойном распределении коагулянта вместе с турбулентными струями воды в потоке воды, причем с образованием естественных условий их перемешивания. При этом возможна ориентация струй подачи коагулянта по отношению к турбулентным струям, что обеспечивает максимальный самозахват ими коагулянта.
Получается, что в предлагаемом способе, с одной стороны, имеет место совмещенная двухзонная система перемешивания коагулянта с водой и двухзонная система формирования турбулентных вихревых струй в потоке. Причем в первой зоне мы имеем квазимакротурбулентные струи, образуемые в потоке по его поперечному сечению (это общеизвестно, и стремятся распределить эти струи равномерно по сечению, как и коагулянт). В настоящем изобретении это реализовано таким образом, чтобы турбулентные струи сами захватывали коагулянт, который подают с возможностью его самозахвата упомянутыми турбулентными струями, и увлекали ко второй зоне.
Во второй зоне, что не наблюдается в известных способах аналогичного назначения, турбулентные струи дробят на еще более мелкие завихренные струи, которые захватывают большую массу введенного ранее коагулянта и насыщаются дополнительными его порциями уже в иной завихренной среде потока. В итоге, последовательно без смешивания ни с какими иными реагентами, вводят как минимум дважды коагулянт в соответствующих зонах трубопровода, но перестраивая одни и те же турбулентные струи в потоке воды от больших размеров и одного числа их к меньшим и к большему числу и изменяют, по возможности, ориентацию подачи коагулянта в потоке.
В принципе, может быть и еще одна подобная введенная система перестройки турбулентных струй с коагулянтом или с дополнительным вводимым коагулянтом. В сущности, в подобную схему способа можно вводить и другие реагенты, требуемые для повышения эффективности водоподготовки, которая в данном случае происходит в стационарных условиях без привлечения внешних активаторов процесса перемешивания коагулянта с водой.
Таким образом, создан способ, в котором при малых скоростях потока (0,2…0,5 м/с) без дополнительной активации в условиях естественного не принудительного растворения в воде коагулянта осуществляется создание активного в виде завихренных равномерно распределенных по поперечному сечению потока струй воды и перемешивание с ними коагулянта.
Авторами изобретения был проведен патентный поиск по данной тематике. Он показал, что предлагаемая совокупность существенных признаков не обнаружена. Поэтому данное изобретение можно считать новым.
Заявляемое изобретение отвечает условию патентоспособности «изобретательский уровень». Оно для специалиста логически не следует из известного уровня техники. Так, в аналогах отражена общая тенденция по способу введения коагулянта в процесс водоподготовки, которая основана на стремлении как можно более равномерно распределять коагулянт в потоке воды и активно смешивать его с помощью внешних активаторов, включающих и использование различных физических полевых воздействий.
В настоящем изобретении нет использования внешних активаторов по ведению перемешивания коагулянта с водой. В настоящем изобретении система способа самореализуема за счет энергии потока. При этом происходит перемешивание коагулянта в двух зонах с изменением ее турбулентных струй. Более того, предложенный способ по меньшей мере дважды перемешивает коагулянт в соответствующих зонах трубопровода. Причем последовательно происходит перестройка турбулентных потоков с коагулянтом из одного вида потока в другой.
Предлагаемый способ введения коагулянта в процессе водоподготовки имеет практическое применение, и его сущность поясняется чертежом и нижеследующим описанием.
Фиг. 1: Общая схема заявляемого способа в продольном сечении, где:
1 - трубопровод сырой воды;
2 - трубопровод подачи раствора коагулянта;
3 - лучевой распределитель подачи раствора коагулянта;
4 - движение струй раствора коагулянта до решетки;
5 - решетка;
6 - движение потока после решетки.
Перемешивание раствора с обрабатываемой сырой водой происходит путем подачи под избыточным напором раствора химреагента (коагулянта) в движущийся поток воды. Хотя при данных условиях (диаметр трубопровода и рабочие скорости потока сырой воды) должен наблюдаться турбулентный режим потока, тем не менее, скоростей хаотичного перемещения струй воды может быть недостаточно для качественного перемешивания раствора химреагента (коагулянта) с обрабатываемой сырой водой.
При обтекании лучевого распределителя (3) раствора коагулянта поток воды дополнительно завихряется, повышается скорость хаотичного движения водяных струй, в которые лучевым распределителем (3) вводится раствор коагулянта. После первичного перемешивания поток воды с введенным и предварительно распределенным раствором коагулянта достигает, например, решетки-завихрителя (5), где при обтекании перегородок ее ячеек происходит вторичное возбуждение хаотичности струй потока равномерно по всему сечению потока, дополнительно улучшающее качество перемешивания.
В сущности, предлагаемый способ реализуется следующим образом (поясняется вышеприведенной схемой). В трубопровод 1 подают воду, и на определенном расстоянии от ее ввода в зону подают коагулянт по специальному подающему трубопроводу 2. От этого трубопровода коагулянт поступает через лучевой распределитель 3. Этот лучераспределитель 3 может быть снабжен элементами формирователя завихренных струй в потоке воды, который обтекает их и закручивается (на чертеже не показано). Находящуюся в трубопроводе 1 воду и коагулянт активно перемешивают, для чего используют энергию потока воды в трубопроводе, с помощью которой в зоне ввода коагулянта в поток по его поперечному сечению создают равномерно распределенные по поперечному сечению потока завихренные струи 4 воды. Относительно их подают коагулянт с возможностью по крайней мере частичного самозахвата его этими струями и перемещения образованной смеси к следующей зоне, где в этой смеси турбулентные струи воды с коагулянтом дробят на меньшие аналогичные образования с увеличением самозахвата коагулянта новыми завихренными струями воды. Для дробления турбулентных струй воды с коагулянтом может быть использован решетчатый или сетчатый фильтр (на чертеже не показан), расположенный поперек потока.
Возможна ситуация, когда имеет место дополнительное введение коагулянта в процессе водоподготовки, которое осуществляют еще и при дроблении смеси турбулентных струй с коагулянтом в упомянутой зоне - естественно, при соблюдении условия самозахвата раздробленными турбулентными струями воды дополнительно вводимого коагулянта. Необходимо отметить, что во второй зоне дробление исходных турбулентных струй воды в потоке и захваченного ими коагулянта осуществляется, например, через специально установленную поперек потока решетку 5 с малыми окнами (на чертеже не показано). Через них проходят упомянутые турбулентные струи, завихряются и дробятся на меньшие, образуя на выходе с решетки 5 с коагулянтом вид водяного облака 6, внутри которого происходит интенсивное смешивание воды с коагулянтом. В результате создается оптимальный естественный режим введения коагулянта в процесс водоподготовки, при котором коагулянт вступает в соприкосновение с максимальным числом частиц примесей воды до того, как закончатся реакции гидролиза и полимеризации.