Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ВОДЫ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМАХ, СОДЕРЖАЩИХ ОСВЕТЛИТЕЛИ СО ВЗВЕШЕННЫМ ОСАДКОМ И СКОРЫЕ ФИЛЬТРЫ

Изобретение относится к технологическим схемам осветления и обесцвечивания воды, имеющей температуру не менее 4°С и концентрацию взвешенных веществ не менее 25 г/м³, и может быть использовано для регулирования процессов ее очистки на сооружениях, работающих по схеме «смеситель - осветлитель со взвешенным осадком - скорый фильтр».

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 и на выходе из смесителя, затем перед поступлением ее в осветлитель со взвешенным осадком осуществляется управление процессами очистки воды в коридорах осветлителя на основании седиментационного экспресс-контроля в режиме реального времени гидравлической крупности частиц взвеси, оптимальная величина которой обеспечивается путем регулирования скорости отведения воды с осадком из осветлителя, накопление осадка и периодическое его удаление из осадкоуплотнителя производится на основании седиментационного экспресс-контроля поступающего в него количества взвеси, а переключение с режима фильтрования на режим промывки и регулирование времени и интенсивности промывки производятся на основании сопоставления результатов седиментационных экспресс-анализов количества взвеси, поступающей на фильтры и на выходе из фильтров.

Известен способ регулирования процесса коагуляции воды [1], заключающийся в определении первоначальной дозы коагулянта для пробы исходной воды, поступающей в смеситель, последующее корректирование в режиме реального времени этой дозы в зависимости от изменения агрегативной устойчивости взвеси 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 - осветлитель со взвешенным осадком - скорый фильтр» 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 хлопьев в слое взвешенного осадка, осветления и обесцвечивания воды при ее движении через этот слой, регулирования скорости перемещения части взвешенного осадка в осадкоуплотнитель, процессов удаления из него осевшего осадка, а также процессов переключения скорых фильтров с режима фильтрования на режим промывки фильтрующей загрузки и процесс управления режимом промывки остаются неуправляемыми.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ регулирования процессов очистки воды в контактных осветлителях [2], заключающийся в регулировании процесса коагуляции воды по способу [1], последующем переключении с режима фильтрования на режим промывки и регулировании интенсивности промывки на основе седиментационного экспресс-анализа взвеси на выходе из фильтровального сооружения.

Основными недостатками этого способа в отношении технологической схемы «смеситель - осветлитель со взвешенным осадком - скорый фильтр» являются следующие:

1. Способ можно использовать для регулирования процесса очистки воды только на первой стадии коагуляции, когда обеспечивается изменение агрегативной устойчивости взвеси и частично на заключительной стадии для регулировании интенсивности промывки фильтрующей загрузки, а последующие стадии - процессы образования хлопьев в слое взвешенного осадка, осветления и обесцвечивания воды при ее движении через этот слой, регулирование скорости перемещения в осадкоуплотнитель части взвешенного осадка и процессов удаления из него осевшего осадка, остаются неуправляемыми.

2. Переключение с режима фильтрования на режим промывки не может осуществляться на основе экспресс-контроля цветности, мутности и щелочности исходной воды, так как на вход скорого фильтра поступает вода, качество которой изменилось в результате обработки в осветлителе со взвешенным осадком.

На фиг.1 приведена технологическая схема осветления и обесцвечивания воды, содержащая осветлители со взвешенным осадком и скорые фильтры [3, с.22, таблица 15; 6, с.15, схема 7]. Схема содержит трубу подачи исходной воды 1, барабанные сетки или микрофильтры 2, смесители 3, осветлители со взвешенным осадком 4, скорые фильтры 5, реагентное хозяйство 6, трубопроводы подачи коагулянта 7 и вспомогательных реагентов 8, хлораторную 9 и резервуары чистой воды 10.

Исходная вода после предварительной очистки на барабанных сетках или микрофильтрах 2 поступает в смесители 3, где перемешивается с раствором коагулянта, поступающего в смеситель 3 из реагентного хозяйства 6. После смесителя 3, при необходимости, в воду добавляются вспомогательные реагенты (флокулянты и щелочь) и вода поступает в осветлители со взвешенным осадком 4, где осуществляются процессы осветления и обесцвечивания воды. Затем вода поступает в скорые фильтры 5, где обеспечивается ее окончательное осветление. Из скорых фильтров 5 вода подается в резервуары чистой воды 10. Кроме того, в данной технологической схеме обеспечивается процесс обеззараживания воды путем подачи хлорсодержащих реагентов из хлораторной 9.

На фиг.2 приведена схема осветлителя со взешенным осадком [6, с.49, рис.4.15], содержащая сборные желоба 11, трубчатые системы подачи осветляемой воды 12 в коридоры осветлителя, осадкоприемные окна 13, дырчатые трубы 14 для отвода осадка из осадкоуплотнителя, трубы 15 для отвода воды из осадкоуплотнителя, задвижку 16 для регулирования принудительного отсоса воды из осадкоуплотнителя, карман 17 для сбора очищенной воды из коридоров и осадкоуплотнителя, систему отвода осветленной воды 18 и козырьки 19 у осадкоприемных окон 13. В корпусе осветлителя со взешенным осадком расположены два коридора 20 осветлителя, между которыми находится один осадкоуплотнитель 21.

Осветляемая вода с раствором коагулянта и вспомогательными реагентами поступает в нижнюю часть коридоров осветлителя по трубчатым системам подачи осветляемой воды 12. В результате коагуляции происходит образование хлопьев, которые поддерживаются во взвешенном состоянии за счет скорости восходящего потока воды в зоне осветления [3, с.30, п.6.77, таблица 20]. Часть взвешенного осадка поступает через осадкоприемные окна 13 в осадкоуплотнитель 21, в нижней части которого происходит накопление и уплотнение осадка. Удаление осадка из осадкоуплотнителя производится периодически по трубам 14. Сбор и отвод очищенной воды из коридоров осветлителя осуществляется через сборные желоба 11, а из осадкоуплотнителя - через трубы 15.

На фиг.3 приведены схемы работы скорого фильтра при фильтровании (схема а) и при промывке (схема б) [6, с.59, рис.5.1]. Схемы содержат: песчаный фильтрующий слой 22, гравийный поддерживающий слой 23, трубчатый дренаж 24, желоба для отвода промывной воды 25, карман 26, трубопроводы для подачи осветляемой и промывной воды 27 и 28, трубопроводы для отвода промывной и осветленной воды 29 и 30, трубопровод для сброса промывной воды в канализацию 31.

В режиме фильтрования [3, с.32-34, п.6.95-6.109] осветляемая вода поступает в карман 26 по трубопроводу 27, фильтруется сверху вниз через песчаный фильтрующий слой 22, проходит через гравийный поддерживающий слой 23, поступает в трубчатый дренаж 24 и отводится из корпуса скорого фильтра по трубопроводу для отвода осветленной воды 29. В режиме промывки [3, с.35-36, п.6.110-6.117] промывная вода поступает по трубопроводу для подачи промывной воды 28 в трубчатый дренаж 24, движется снизу вверх через гравийный поддерживающий слой 23, затем через песчаный фильтрующий слой 22, обеспечивая требуемое относительное расширение этого слоя при соответствующей интенсивности промывки [3, с.35, таблица 23], поступает в желоба для отвода промывной воды 25, по которым отводится в карман 26 и отводится из корпуса скорого фильтра по трубопроводу для отвода промывной воды 29.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение гибкого управления в режиме реального времени всеми технологическими процессами очистки воды, повышение надежности ее очистки, повышение производительности сооружений, расширение условий применения и сокращение эксплуатационных затрат.

Указанный технический результат достигается тем, что при подаче в коридоры осветлителя со взвешенным осадком воды, имеющей температуру не менее 4°С и концентрацию взвешенных веществ не менее 25 г/м³, управление процессами очистки воды в коридорах осветлителя производится на основании седиментационного экспресс-контроля в режиме реального времени гидравлической крупности частиц взвеси, оптимальная величина которой обеспечивается путем регулирования скорости отведения воды с осадком из осветлителя, накопление осадка и периодическое его удаление из осадкоуплотнителя производятся на основании седиментационного экспресс-контроля поступающего в него количества взвеси, а переключение с режима фильтрования на режим промывки и регулирование времени и интенсивности промывки производятся на основании сопоставления результатов седиментационных экспресс-анализов количества взвеси, поступающей на фильтры и на выходе из фильтров.

Возможности очистки воды, имеющей температуру не менее 4°С и концентрацию взвешенных веществ не менее 25 г/м³, способствует расширению условий применения способа, так как, согласно требованию п.6.10 и таблицы 15 [3], содержание взвешенных веществ (мутность) исходной воды должно быть не менее 50 г/м³.

Пример 1

Для исследования процессов образования хлопьев в слое взвешенного осадка, осветления и обесцвечивания воды при ее движении через этот слой и регулирования скорости перемещения части взвешенного осадка в осадкоуплотнитель использовалась прозрачная испытательная модель осветлителя, схема которой приведена на фиг.4.

Модель содержит прозрачный прямоугольный корпус 32 с конусной нижней частью 33 (моделируется коридор осветлителя), подающую трубу 34 с задвижкой 35, трубу для отвода осадка 36 с задвижкой 37 и трубу для отвода очищенной воды 38 с задвижкой 39. Кроме того, модель содержит устройство для седиментационного экспресс-анализа взвеси в воде СА [7] и четыре пробоотборника П1, П2, П3, и П4, предназначенных для следующих целей:

- П1 - для определения содержания взвешенных веществ в исходной воде;

- П2 - для определения гидравлической крупности взвеси ниже трубы для отвода осадка 5 в прямоугольной части корпуса 1;

- П3 - для определения содержания взвешенных веществ в очищенной воде;

- П4 - для определения количества осадка, поступающего в осадкоуплотнитель.

Исходная вода после введения в нее оптимальной дозы коагулянта по способу [1] подавалась по трубе 34 снизу в конусную часть 33 корпуса 32, имеющего квадратное поперечное сечение.

В таблице 1 приведены обобщенные результаты замеров и визуальных наблюдений за процессами образования слоя взвешенного осадка для диапазона температур до 5°С и диапазона концентраций С_в до 50 г/м³ при закрытой задвижке 37. Скорость движения воды в вертикальной части корпуса 32 регулировалась задвижками 35 и 39 в пределах от 1.2 мм/с до 0.5 мм/с. Определялось накопление взвешенного осадка на уровне расположения трубы 36 и визуально наблюдался подъем частиц взвеси выше этого уровня. Кроме того, положительным принимался эффект очистки, когда на выходе из осветлителя (труба 38) содержание взвеси в воде не превышало 10 г/м³ (допустимая нагрузка на скорые фильтры) [4].

Как видно из таблицы 1, накопление взвешенного осадка происходит при температурах не ниже 4°С и содержании взвеси в исходной воде не менее 25 г/м³.

В таблице 2 приведены аналогичные обобщенные результаты исследований для температур 4°С и 5°С, выполненные при регулировании открытия задвижки 37, которое осуществлялось после накопления осадка в осветлителе. Скорость движения воды по трубе 6 (отведение взвешенного осадка в осадкоуплотнитель) регулировалась в пределах от 10 мм/сек до 40 мм/сек.

Как видно из таблицы 2, требуемый эффект (до 10 г/м³) на выходе при регулировании скорости отведения воды с осадком из осветлителя в осадкоуплотнитель может быть обеспечен при температуре исходной воды не ниже +4°С и содержании взвеси в исходной воде не менее 25 г/м³.

Проведение в режиме реального времени седиментационного экспресс-контроля гидравлической крупности частиц взвеси, оптимальная величина которой обеспечивается путем регулирования скорости отведения воды с осадком из осветлителя, позволяет обеспечить надежное управление процессами очистки воды в коридорах осветлителя.

Гидравлическая крупность частиц взвеси является наиболее удобной, полноценной и эффективной характеристикой технологических процессов в указанной схеме сооружений [5]. Именно эта характеристика дает реальную картину происходящих изменений в коридорах осветлителя и в осадкоуплотнителе. Использование гидравлической крупности, независимо от размеров частиц взвеси, позволяет в режиме реального времени регулировать скорости движения воды в коридорах осветлителя и отведения части этой воды с осадком в осадкоуплотнитель.

Пример 2

В таблице 3 приведены обобщенные оптимальные режимы, при которых обеспечивается требуемый эффект на выходе из осветлителя, определенные для температурных диапазонов от 5°С до 10°С и более 10°С и концентраций взвешенных веществ (С_в) в соответствии с таблицей 20 [3]: от 50 до 100 г/м³, от 100 до 400 г/м³ и от 400 до 1500 г/м³. При исследованиях осуществлялся седиментационный экспресс-анализ для проб воды, отбираемых в четырех точках (фиг.4)

Как видно из таблицы 3, для обеспечения требуемого эффекта на выходе из осветлителя целесообразно регулировать скорости движения воды и отведения воды с осадком из него, обеспечивая оптимальную гидравлическую крупность частиц взвешенного осадка. Это также способствует повышению надежности очистки воды.

Седиментационный экспресс-контроль поступающего в осадкоуплотнитель количества взвеси позволяет в режиме реального времени определять общее количество накопившегося осадка. Зная расчетное количество осадка, на которое был запроектирован осадкоуплотнитель, имеется возможность точно определять оптимальное время удаления осадка. Это также способствует повышению надежности и увеличению производительности сооружений.

Сопоставление результатов седиментационных экспресс-анализов количества взвеси, поступающей на скорые фильтры и на выходе из фильтров, позволяет в режиме реального времени определять общее количество накопившейся взвеси в порах фильтрующей загрузки. Зная расчетную грязеемкость (количество загрязнений, на которое был запроектирован фильтр), имеется возможность точно определять оптимальное время переключения его на промывку. Это также способствует повышению надежности и увеличению производительности технологической схемы сооружений.

По сравнению с аналогом и прототипом способ обладает следующими преимуществами:

- обеспечение гибкого управления в режиме реального времени всеми технологическими процессами очистки воды;

- повышение надежности очистки воды;

- повышение производительности сооружений;

- расширение условий применения;

- сокращение эксплуатационных затрат.

Изобретение можно использовать для питьевого и технического водоснабжения.

Литература

1. Способ регулирования процесса коагуляции воды. Патент на изобретение RU 2415814. Опубл. 10.04.2011. Бюл. №10.

2. Способ регулирования процессов очистки воды в контактных осветлителях и устройство для его осуществления. Патент на изобретение RU 2471719. Опубл. 10.04.2013. Бюл. №1.

3. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения / Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1985. - 136 с.

4. Кульский Л.А., Строкач П.П. Технология очистки природных вод. - Киев: Вища школа, 1981. - С.132.

5. Оводов B.C. Сельскохозяйственное водоснабжение и обводнение. - М.: Колос, 1984. - С.208-210.

6. Чудновский, С.М. Проектирование сооружений для улучшения качества природных вод: учеб. пособие. / С.М. Чудновский, О.И. Лихачева. - 2-е изд., перераб. и доп. - Вологда: ВоГТУ, 2006. - 127 с.

7. Устройство для анализа воды. Патент на изобретение RU 2415399. Опубл. 27.03.2011. Бюл. №9.