К.т.н. Чудновский С.М., Лихачева О.И.

Вологодский государственный университет, Россия

Перспективы обеспечения гибкого управления системами осветления и обесцвечивания природных вод

Поверхностные воды, подлежащие осветлению и обесцвечиванию с применением процессов коагуляции, являются многокомпонентными стохастическими системами. Особенностью таких систем является одновременное существование в микрообъеме воды значительного количества процессов и элементарных реакций, сопряженных между собой. При этом процессы в данном микрообъеме имеют коллективный характер и плохо поддаются измерению. Известно, например, что для маломутных цветных вод гуминовые кислоты являются основными примесями. Только с использованием процессов коагуляции возможно их удаление из воды [1].

При этом основной характеристикой устойчивости взвеси в воде является дзета-потенциал. В процессе измерений дзета-потенциала взвеси в воде, поступающей на водоочистные сооружения г. Вологды, выполненных в разные сезоны 2002, 2003 и 2004 годов было установлено, что дисперсные частицы обладают отрицательным зарядом, который характеризуется величиной дзета-потенциала в пределах от -32 до -46 мВ. Это доказывает необходимость использования процессов коагуляции для обесцвечивания данной воды в течение всего года, так как величина дзета-потенциала, характерная для верхнего порога коагуляции, обычно не превышает -30 мВ. Кроме того, интенсификация процессов коагуляции возможна в первую очередь при применении непрерывного автоматического контроля устойчивости взвеси в воде, подаваемой на водоочистные сооружения, а затем путем обеспечении возможностей оперативного управления процессами на всех стадиях коагуляции.

Для достижения высокой эффективности процесса коагуляции, необходимо выполнить два основных условия:

1. Обеспечить ввод в воду реагентов и процесс их равномерного распределения по всему объему воды таким образом, чтобы в соответствующем сооружении (например, в смесителе) величина устойчивости взвеси была уменьшена до показателя, характеризующего нижний порог коагуляции. В этом случае наиболее надежными и удобными с точки зрения возможности измерения, являются электрофоретическая подвижность или дзета-потенциал взвеси.

2. Обеспечить интенсивное образование хлопьев с таким расчетом, чтобы их качество (размеры, плотность и т. д.) позволило бы создать условия для эффективного задержания (удаления) этих хлопьев.

Для оценки выполнения первого условия и создания возможности управления процессом коагуляции предлагается ввести показатели гибкости каждой составляющей процесса. Количество и характер таких показателей зависит от технологических и организационных особенностей используемых сооружений. В частности, в схемах, где используются смесительные устройства, предлагается использовать показатель гибкости процесса смешения коагулянта с водой (Гпск). Величина этого показателя должна зависеть от соответствия величины дзета-потенциала взвеси в воде на выходе из смесителя величине нижнего порога коагуляции:

, (1)

где - величина дзета-потенциала, соответствующая нижнему порогу коагуляции воды. Эта величина была определена в процессе цикла экспериментальных исследований для условий г. Вологды и составляет примерно 18 мВ;

- величина дзета-потенциала взвеси в воде на выходе из смесителя.

Если, то Гпск = 1. В остальных случаях, чем больше разница между и , тем меньше гибкость процесса смешивания воды с реагентом.

Для оценки выполнения второго условия предлагается использовать показатель гибкости процесса хлопьеобразования (Гпхо):

, (2)

где Rнорм – нормативная гидравлическая крупность взвеси в воде после завершения процесса коагуляции. Этот показатель должен определяться на основании технологических исследований. Он зависит от конструкций используемых сооружений и для этих сооружений должен быть постоянным.

Rвых – гидравлическая крупность взвеси в воде на выходе из сооружения, мм/с.

Таким образом, если с помощью показателя оперативной гибкости (Гоп) можно оценивать возможности существующих технологических схем, то предлагаемые показатели Гпск и Гпхо позволяют оценивать эффективность основных составляющих процесса коагуляции маломутных цветных вод.

В настоящее время наиболее распространенным является способ регулирования процесса коагуляции воды, основанный на определении оптимальной дозы коагулянта. Этот способ осуществляется преимущественно в лабораторных условиях путем визуального наблюдения за процессами образования хлопьев в стеклянных цилиндрах с исходной водой, в которые добавляются различные дозы коагулянта. При этом фиксируются различные стадии процесса коагуляции (помутнение, образование мелких хлопьев, крупных хлопьев, начало осаждения). Этот способ является продолжительным, трудоемким и неточным, так как не учитываются реальные условия (температура воды, скорости ее движения в объемах сооружений, равномерность распределения раствора коагулянта по объему обрабатываемой воды и другие). Кроме того, при осуществлении этого способа невозможно следить за ходом процесса коагуляции и осаждения коагулированной взвеси в режиме реального времени, а, следовательно, невозможно обеспечивать гибкое управление процессом коагуляции. Таким образом, данный способ является недостаточно надежным.

Более точным и надежным является способ определения оптимальной дозы коагулянта по дзета–потенциалу взвешенных в воде частиц [2]. Кроме того, этот способ с теоретической точки зрения считается наиболее оправданным, так как величина дзета–потенциала частицы определяет ее способность к коагуляции и во многих случаях является основным критерием полноты протекания процесса [3]. Однако при осуществлении данного способа также невозможно следить за ходом процесса коагуляции и осаждения коагулированной взвеси в режиме реального времени, а значит невозможно обеспечивать гибкое управление процессом коагуляции.

В Вологодском государственном университете разработан новый способ гибкого регулирования процесса коагуляции воды в технологических схемах: смеситель – камера хлопьеобразования – отстойник – скорый фильтр [4].

Для усовершенствования и упрощения технологической схемы подготовки питьевой воды в контактных осветлителях разработана принципиально новая системы гибкого управления, позволяющая обеспечивать автоматическое управление процессами коагуляции воды в контактных осветлителях в режиме реального времени [5].

Для гибкого регулирования процессов очистки воды в технологических схемах, содержащих осветлители со взвешенным осадком и скорые фильтры разработана принципиально новая система, позволяющая обеспечивать автоматическое управление всеми процессами режиме реального времени.

Литература:

1.Шорин В.А. Оценка гибкости основных составляющих процесса хлопьеобразования маломутных цветных вод /В.А. Шорин Б.С. Чудновский // Вузовская наука – региону: материалы III региональной межвузовской научно-технической конференции. – Вологда: ВоГТУ, 2002. – С. 142-143.

2. Чудновский С.М. Определение оптимальной дозы коагулянта по дзета – потенциалу взвешенных в воде частиц /С.М Чудновский, В.М.Ропот, Л.Л. Индричан //Мелиорация и водное хозяйство: экспресс – информация. Серия 3. Обводнение и сельскохозяйственное водоснабжение. Вып. 10. – М., 1987. – С.12 -17.

3. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. – М.: Наука, 1977. – 356 с.

4. Патент 2415814 Российская Федерация. Способ регулирования процесса коагуляции воды /С.М. Чудновский, Е.А. Жирихина, Н.Г Жаравина.; заявитель и патентообладатель Вологодский гос.тех.ун-т. – Опубл.10.04.2011. – Бюл.№10 – С.9.

5. Патент 2471719 Российская Федерация. Способ регулирования процессов очистки воды в контактных осветлителях и устройство для его осуществления / С.М. Чудновский, Н.А.Кузнецова; заявитель и патентообладатель Вологодский гос.тех.ун-т. – Опубл.10.01.2013. – Бюл.№1 – С.11.