Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи управления процессом коагуляции при очистке природных вод 7
1.1. Принципы регулирования процесса гидролиза коагулянта 13
1.2. Возможные пути интенсификации процессов коагуляции 15
1.2.1. Регулирование уровня водородного показателя воды 15
1.2.2. Применение минеральных замутнителей 17
1.2.3. Механическое и статическое перемешивание воды 18
1.2.3.1. Смесители 22
1.2.3.2. Камеры хлопьеобразования 31
1.2.4. Пневматическое перемешивание 37
1.2.5. Фракционированное коагулирование 38
1.2.6. Концентрированное коагулирование 39
1.2.7. Прерывистое (периодическое) коагулирование 40
1.2.8. Рециркуляция осадка коагулированной взвеси 40
1.2.9. Наложение электрического поля 41
1.2.10. Наложение магнитного поля 41
1.2.11. Воздействие ультрозвуком 42
1.2.12. Ионизирующее облучение 42
1.3. Механические мешалки для водоочистки и производители, изготавливающие эти устройства 42
Выводы по главе 1 47
ГЛАВА 2. Планирование и проведение экспериментальных исследований 49
2.1. Методика проведения исследований 49
2.2. Характеристика объектов, на которых проводились исследования 52
2.3. Качество воды на водопроводных станциях
в периоды проведения исследований 64
2.4. Результаты экспериментальных исследований
по механическому смешению реагентов с водой 70
2.4.1. Натурные исследования на водопроводных станциях г. Ярославля 70
2.4.1.1. Южная водопроводная станция (р. Которосль) 70
2.4.1.2. Центральная водопроводная станция (р. Волга) 82 Выводы этапа 86
2.4.2. Натурные исследования в г. Ижевске 86
2.4.2.1. Новые Головные сооружения (Городской пруд) 86
2.4.2.2. Камские очистные сооружения (Боткинское водохранилище) 88
Выводы этапа 91
2.4.3. Натурные исследования в г. Калуге (р. Ока) 91
Выводы этапа 95
Выводы по главе 2 . 95
ГЛАВА 3. Теоретические подходы и разработка математической модели процесса коагуляции в смесителе и камере хлопьеобразования при очистке природных вод 97
3.1. Современные теоретические представления о процессе гидролиза при коагуляции 97
3.2. Математическая модель 98
3.3. Результаты натурно-теоретического эксперимента 104
3.4. Анализ практического потенциала модели 127
Выводы по главе 3 131
ГЛАВА 4. Производственная апробация и внедрение механического перемешивания в камерах хлопьеобразования на Южной водопроводной станции г. Ярославля 133
4.1. Конструкционное исполнение тихоходных мешалок 137
4.1.1. Область применения 137
4.1.2. Техническая характеристика 137
4.1.3. Описание конструкции и работы 137
4.1.4. Защита от коррозии 139
4.1.5. Конкретный экономический эффектна объекте 139
4.2. Результаты производственной апробации механических тихоходных мешалок . 141
Выводы по главе 4 158
ГЛАВА 5. Технические указания на механическое перемешивание, эффективность разработанных устройств и технологий 160
5.1. Область применения 160
5.1.1. Условия применения 161
5.1.2. Методика расчета смесителей и камер хлопьеобразования с механическим перемешиванием 162
5.1.2.1. Для существующих станций водоочистки 162
5.1.2.2. Для новых станций водоочистки 172
5.2. Структура эффективности механического перемешивания 181
Выводы по главе 5 182
Выводы по работе 184
Список использованной литературы 186
- Механические мешалки для водоочистки и производители, изготавливающие эти устройства
- Камские очистные сооружения (Боткинское водохранилище)
- Результаты производственной апробации механических тихоходных мешалок
- Для существующих станций водоочистки
Введение к работе
Интенсификация процесса коагуляции заключается в выборе необходимой скорости формирования хлопьев и степени отделения взвеси в объеме обрабатываемой воды, что в конечном итоге играет решающую роль для повышения эффективности осветления воды. Это зависит от плотности и структурной прочности хлопьев, их адгезионной способности и тиксотроп-ной обратимости [12].
В практике водоочистки применяются разнообразные методы интенсификации процесса коагуляции.
Существующие методы интенсификации Е.Д. Бабенков подразделяет на два класса [11].
Первый класс включает методы, требующие дополнительного введения реагентов в обрабатываемую воду: 1) флокулянтов, 2) окислителей, 3) регуляторов величины рН, 4) минеральных замутнителей.
Второй класс включает методы, не требующие использования дополнительных реагентов: 1) перемешивание воды с предварительным введением коагулянта, 2) использование рациональных способов добавления коагулянтов к воде, 3) рециркуляция коагулированной взвеси через зону ввода новых порций коагулянта, 4) совмещение коагуляции гидролизующимися коагулянтами с физическими методами коагуляции.
Актуальность проблемы.
Обработка воды коагулянтами является самым распространенным методом очистки воды поверхностных водоисточников. Масштабы применения метода коагуляции увеличились в последние годы, и судя по прогнозам, будут расти.
Вопросу коагуляции коллоидных систем вообще и, в частности, в процессе водоподготовки посвящено большое количество теоретических и экспериментальных исследований. Основы процесса коагуляции, разработанные Марианом Смолуховским, были развиты в трудах Ребиндера П.А. [92], Деря-гина Б.В. [30-32], Кройта Г.Р. [50], Кульского Л. А. [53, 55], Бейлиса [115], Воюцкого С. С. [28] и ряда других. Рассмотрение общих вопросов данной проблемы изложнено в работах Абрамова Н.Н. [3], Клячко В.А. и Апельцина И.Э. [44], Кастальского А.А. и Минца Д.М. [42], Кургаева Е.Ф. [57, 58], Ба-бенкова Е.Д. [12], Шкроба М.С. и Прохорова Ф.Г. [109], Строкача П.П. [56], Кульского Л. А. [53, 55] и других авторов.
Интенсификация процесса коагулирования имеет большое значение в связи с возрастающими требованиями к качеству питьевой воды.
Коммунальное хозяйство, в частности, водоснабжение постоянно сталкивается с рядом проблем, которые требуют совершенствования технологии и инженерного оборудования. Это связано, с одной стороны, с постоянно растущими требованиями к качеству питьевой воды, с другой, - загрязнением водоисточников и необходимостью расширения сырьевой базы за счет источников с низким качеством природных вод [65]. Известно, что процесс смешения раствора коагулянта с водой определяет последующие стадии образования хлопьев гидролизованных форм коагулянта, отстаивание и фильтрование. Гидродинамический режим смешения раствора коагулянта с сырой водой определяет кинетику образования хлопьев, их размер и плотность [12].
Однако выбор гидродинамического режима смесителя является сложной технологической задачей, поскольку процесс на начальных стадиях коагуляции - процесс образования хлопьев гидролизованных форм коагулянтов (гидроксидов алюминия или железа), является сложным и определяется большим числом факторов: интенсивностью перемешивания, мутностью исходной воды, вводимой дозой и типом коагулянта, температурой и т.д. Теории коагуляции разработаны для случаев наличия примесей, способных потенциально к образованию агрегатов. В то же время математических моделей, описывающих все стадии процесса, не существует. Это сдерживает разработку эффективных технологических процессов очистки воды.
Целесообразность применения механических смесителей подтверждается опытом работы водоочистных станций за рубежом.
Цель и задачи работы:
о интенсификация процесса коагуляции поверхностных вод за счет регулируемого механического перемешивания реагентов с исходной водой;
экспериментальная оценка эффективности работы механических смесителей и камер хлопьеобразования по сравнению с гидравлическими для водоочистных станций населенных мест Российской Федерации;
разработка математической модели процесса коагуляции при реа-гентной очистке воды и повышение качества регулированием процесса;
разработка рациональных вариантов конструкций смесителей и камер хлопьеобразования; выбор технологических режимов их эксплуатации;
разработка методики расчета смесителей и камер хлопьеобразования с механическим перемешиванием;
разработка рекомендаций для проектирования по реконструкции смесителей и камер хлопьеобразования на водоочистных станциях.
Научная новизна работы: разработана математическая модель процесса коагуляции; разработана методика расчета смесителей и камер хлопьеобразования с механическим перемешиванием; разработаны новая конструкция вертикального механического смесителя, новое устройство для очистки воды и устройство для её осветления (получены патенты); подготовлена методика компьютерно-инженерного расчета механического смесителя круглого и прямоугольного в плане.
Практическая ценность работы заключается в разработке оборудования и методик расчета технологического режима в смесителях и камерах хлопьеобразования с механическим перемешиванием (очистка воды с применением коагулянтов и флокулянтов). Подготовлены рекомендации по реконструкции станций очистки воды гг.: Ярославля, Калуги, Ижевска, Саранска и Нефтеюганска. Разработанные оборудование и методики нашли производственную реализацию в виде новой конструкции механической мешалки для интенсификации процесса коагуляции на Южной водопроводной станции МП «Яро-славльводоканал».
Получено третье место в конкурсе на соискание премии ГУП «Мосво-доканалНИИпроект» молодым ученым и специалистам в области техники по направлению «Водоснабжение и водоотведение» в 2003 году.
Публикации.
По результатам исследований и конструкторских разработок запатентовано 3 изобретения, опубликовано 7 статей и новый концепт-подход.
Механические мешалки для водоочистки и производители, изготавливающие эти устройства
Добавление определенного количества коагулянта больше одной или несколькими последовательными порциями, а также разными последовательно добавляемыми коагулянтами в обрабатываемую воду, называется фракционированным коагулированием.
Получение положительного результата в технологии обработки воды при фракционировании дозы коагулянта, обычно объясняют с кинетической точки зрения. Данный эффект объясняется образованием в результате гидролиза первых порций коагулянта твердой фазы, которые являются ядрами хлопьеобразования при гидролизе последующих порций коагулянта [58].
Метод фракционированного коагулирования, по-видимому, впервые применен в Аргентине [173], что обеспечило возможность снижения остаточного содержания взвеси в очищенной воде в 1,5-2 раза, на примере коагулянтов A SO , FeCb и FeS04- При этом отмечено, что наилучшие результаты достигнуты в результате смешения коагулянтов с дозировкой сначала двух частей сернокислого алюминия, а затем одной части хлорного железа.
Установлено, что оптимальный промежуток времени между вводом фракций коагулянта равен 90-120 сек. Экономия коагулянта составила 17%.
Первая фракция коагулянта при обесцвечивании воды не должна превышать половины общей дозы. К такому выводу пришли специалисты на одной из водоочистных станций Англии [161], применяя метод фракционированного коагулирования. Данный режим обеспечивает образование на первой стадии мелких, медленно осаждающихся хлопьев гидрооксида алюминия, которые, по мнению исследователей, вследствие развитой поверхности раздела хорошо сорбируют окрашивающие примеси. Сокращен расход коагулянта по сравнению с обычным способом ввода.
Метод концентрированного коагулирования заключается в дозировании всего необходимого количества коагулянта исключительно в часть обрабатываемой воды, где обеспечивается тщательное смешение. Затем поток обработанной воды объединяют (обычно в начале камер хлопьеобразования) с потоком остальной - некоагулированной воды. Этот способ, широко используемый в химической промышленности для ускорения протекания гетерогенных реакций, для очистки воды был впервые применен на Восточной станции московского водопровода в 1947 г. [18].
Некоторые преимущества метода концентрированного коагулирования показаны А.Н. Сардановским и Л.П. Казаковой [95]: 1) распределение всего коагулянта только в части воды интенсифицирует хлопьеобразование; 2) после смешения с необработанной водой хлопья, образованные в результате повышенной концентрации коагулянта, хорошо удаляют водные примеси. Метод концентрированного коагулирования не всегда дает положительные результаты [22]. Из этого можно сделать вывод, что в его основе лежат также специфические явления, обусловленные свойствами обрабатываемой воды и загрязнений. По-видимому, в условиях низких значений рН могут формироваться развитые полимерные структуры, на которые дальнейшее повышение рН (за счет смешения с основным потоком воды) не оказывает заметного действия. Этот способ коагулирования включает в себя более полное использование свойств продуктов гидролиза коагулянта при их избытке. Он содержит элементы метода концентрированного коагулирования и состоит в чередовании периодов подачи в обрабатываемую воду увеличенных доз коагулянта с периодами полного прекращения коагулирования [22]. Преимущества способа прерывистого коагулирования следующие: 1) значительное сокращение расхода коагулянта; 2) увеличение длительности фильтрационных циклов на фильтрах и контактных осветлителях. Достигнута экономия коагулянта на 30-40% [18, 17] при обработке маломутной воды по двухступенчатой схеме за счет совмещения концентрированного коагулирования с периодическим. По данным Котлярова [48], прерывистое коагулирование воды, содержащей 13 мг/л взвешенных веществ, позволяет при прямоточном фильтровании снизить дозу сульфата алюминия примерно в 2 раза, при одинаковой длительности периодов «коагулирования» и «некоагулирования» - 0,5; 1 и 2 часа. Достигнута более высокая экономия коагулянта (50-80%) при одноступенчатой схеме очистке амурской воды [26]. Обработка воды с возвратом части отработанного осадка в зону ввода новых порций коагулянта в отдельных случаях привела к значительной (до 30%) экономии коагулянта и ускорению осаждения коагулированной взвеси в отстойниках и осветлителях. Наблюдаемые эффекты являются следствием более полного использования свойств коагулянта, ускоренного формирования хлопьев в контакте с ранее выделенным осадком. При известково-содовом умягчении воды очевидны преимущества рециркуляции осадка. Во всех приведённых примерах её использования достигнуты положительные результаты [59, 129]. Плотность осадков в ходе рециркуляции возрастала в несколько раз. Образующиеся взвеси обладают малой прочностью и гораздо хуже, чем осадки, полученные при умягчении, сохраняют свою поверхностную активность. В связи с этим попытки применить рециркуляцию таких взвесей не всегда заканчивались успешно. Однако, этот метод помогает произвести зарядку осветлителей со взвешенным осадком. О целесообразности рециркуляции осадков в остальных случаях мнения специалистов расходятся. Предпринятая попытка выделить наиболее важные для практики результаты исследований по изучению действия электрического поля как ин-тенсификатора коагуляции позволяет сделать следующие выводы. 1 .В поле постоянного тока ускоряются процессы формирования и осаждения коагулированной взвеси, полученной при обработке сульфатом алюминия мутных вод [52]; повышается степень очистки воды от органических и неорганических примесей фильтрованием [51, 61]; улучшается отделение эмульгированных жиров [135] и водорослей [39]. С увеличением концентрации взвешенных веществ и ростом напряженности электрического поля эффективность обработки воды повышается [52, 39]. 2.Газы, выделяющиеся на электродах, облегчают условия очистки воды за счет окисления органических примесей [154].
Камские очистные сооружения (Боткинское водохранилище)
На Южной водопроводной станции качество воды р. Которосль менее стабильно, чем вода р. Волги. Значения различных показателей изменяются в широких пределах в зависимости от времени года.
Так, цветность воды сравнительно невысокая от 11 до 50 град., мутность в среднем изменяется от 3 до 7 мг/л, содержание органических загрязнений, характеризуемых показателями ПО изменяется от 8 до 10 мгОг/л, и ХПК - от 9 до 27 мгОг/л, что несколько меньше, чем в воде р. Волги. Отмечается повышенное содержание нефтепродуктов от 0,2 до 0,4 мг/л. Специфические органические и неорганические загрязнения определяются, как правило, в концентрациях значительно более низких, чем ПДК.
Бактериальные загрязнения по коли-индексу изменяются от 6000 до 51700 шт/л, ОМЧ - от 44 до 206 шт/мл. Периодически в воде р. Которосль в различных количествах обнаруживаются колифаги, иногда их концентрация превышает ПДК для водоисточника.
Качество очищенной воды по основным показателям соответствует требованиям. Однако следует отметить, что значения мутности и концентрации остаточного алюминия близки к предельным, что свидетельствует о работе очистных сооружений на пределе. Малейшее нарушение в режиме работы станции тут же приведет к существенному ухудшению качества очищенной воды. Кроме того, следует отметить повышенные значения показателя перманганатной окисляемости питьевой воды. При существующем режиме работы очистных сооружений добиться снижения этого показателя до необходимого уровня практически невозможно.
Выводы по эффективности очистки воды на ЮВС: 1. Качество исходной воды (р. Которосль) характеризуется цветностью, изменяющейся в пределах от 10 до 50 град, и мутностью - от 4 до 12 мг/л, по вышающейся в периоды весеннего паводка - до 20-50 мг/л в различные годы. Наличие специфических загрязнений в концентрациях, превышающих ПДК в речной воде не обнаружено, за исключением наличия нефтепродуктов, содержание которых определяли на уровне 0,1-0,4 мг/л. 2. Качество очищенной воды, как правило, соответствует требованиям стандарта. Так, цветность в период с марта по ноябрь имеет значение от 8 до 12 град., а мутность в мае по сентябрь характеризуется величиной 0,9-1,2 мг/л. Однако, как показал опыт эксплуатации ЮВС в холодные периоды года и паводковый период, процессы коагулирования и осветления воды, протекают тяжело, и качество воды по основным показателям не всегда удовлетворяют требуемым нормативам. Цветность очищенной воды в зимние месяцы находится в пределах 15-20 град, а иногда достигают 30 град. Мутность в период с октября по март находится на пределе нормируемых значений - 1,4-1,5 мг/л, а в некоторых случаях достигает 2мг/л. Остаточный алюминий большую часть года изменяется в диапазоне значений от 0,3 до 0,48 мг/л, причем величины 0,42-0,48 отмечаются в течение 5 месяцев в году. В холодные периоды года наблюдается повышение концентрации остаточного алюминия до величины 1,5 мг/л и выше. Следует также отметить сравнительно высокое содержание органических загрязнений природного и антропогенного происхождения в речной воде, определяемое показателем ПО в пределах от 8 до 10,8 мгОг/л. При этом ПО очищенной воды составляет от 5,2 до 5,5 мгОг/л, т.е. в большинстве случаев выполнить нормируемый уровень при очистке воды р. Которосль традиционными методами практически невозможно. 3. В исходной воде неоднократно отмечалось присутствие колифагов на уровне от 120 до 5333 шт/л и несколько раз было зафиксировано их наличие в очищенной воде. 4. Применение на водопроводной станции предварительной аммониза-ции, а в зимний период наличие аммиака в речной воде, приводят к существенному уменьшению возможностей образования ХОС при хлорировании воды. В г. Ижевске имеются три водоочистные станции: 1. Камские очистные сооружения (КОС) имеют производительность 225000 м3/сут. Водоисточником которых является Боткинское водохранилище, находящееся от станции на расстоянии 54 км. 2. Головные очистные сооружения, включающие новые Головные сооружения (НГС) проектной производительностью 100000 м3/сут. 3. Старые головные сооружения (СГС) имеют производительность 27000 м /сут. Водоисточником обеих станций является Ижевский пруд. На Камских очистных сооружений принята двухступенная схема очистки, включающая отстаивание и фильтрование. Коагулянт вводится в смесители вертикального типа. Далее, обрабатываемая вода поступает в ка 59 меры реакции встроенного типа, горизонтальные отстойники и фильтры, загруженные песчаной загрузкой. Один из фильтров загружен активным углем. Очищенная вода поступает в резервуары чистой воды. Воду коагулируют с помощью сульфата алюминия. В 1996 г. был применен коагулянт ALG производства фирмы «Ке-mira» (Финляндия). Как показал опыт эксплуатации станции, при использовании этого реагента удалось снизить дозу коагулянта, практически ликвидировать потери коагулянта при растворении, т.к. он растворяется полностью и уменьшить содержание остаточного алюминия в очищенной воде. В связи с тем, что вода водохранилища в отдельные периоды имеет небольшие значения мутности и цветности, то на станции принимаются различные схемы обработки воды. В зимний период (декабрь-март) коагулирование обычно не проводится. Большую часть года ведется прерывестое коагулирование, а в летние месяцы (май-июль) проводится непрерывное коагулирование, и в это время отстойники работают удовлетворительно. Иногда, в зависимости от качества обрабатываемой воды, коагулянт в дозах до 1,5 мг/л вводится перед фильтрами. При коагулировании воды используется ПАА в дозах от 0,1 до 0,4 мг/л. Для обеззараживания воды применяется газообразный хлор. На водозаборе в г. Чайковском вода первично хлорируется дозами 1,8-2,4 мг/л. Промежуточное хлорирование на станции применяется перед смесителем, вторичное - перед р.ч.в. Суммарная доза хлора при этом изменяется от 3 до 6,3 мг/л, две трети которой приходится на первичное хлорирование. При принятой на станции технологии очистки воды по основным показателям - мутности и цветности вода отвечает требованиям стандарта. Концентрация остаточного алюминия находится на уровне 0,04-0,3 мг/л. Однако, в отдельные периоды, обычно это отмечается зимой, когда коагулирование воды не проводится, цветность воды повышалась до 22-32 град. В очищенной воде Камских очистных сооружений практически постоянно, отмечается присутствие марганца в концентрациях от 0,01 до 0,4 мг/л. В случаях, когда в исходной воде содержание марганца увеличивается до 0,2-0,4 мг/л, в очищенной воде его концентрация может достигать 0,18-0,35 мг/л. Особенную трудность при очистке воды вызывает удаление органических загрязнений, характеризуемых показателем перманганатной окисляемо-сти. При значениях ПО в источнике выше 6-7 мгОг/л, ПО очищенной воды не удовлетворяет требованиям СанПиН и достигает 6-9 мгОг/л. ПО очищенной воды только в 15% случаев будет удовлетворять требованиям СанПиН, а в 85% случаев будет превышать значение ПО, нормируемое стандартом на уровне 5 мгОг/л. Наиболее часто значения ПО очищенной воды отмечаются в интервале от 5 до 8 мЮ2/л. Анализ данных качества очищенной воды показывает, что наибольшие значения ПО водопроводной воды наблюдаются в зимний период, когда станция работает без применения коагулянта. Загрязнение воды фенолами и нефтепродуктами обычно не отмечается, но в случае увеличения их концентрации в воде водоисточника выше ПДК, очистные сооружения не смогут обеспечить необходимое качество питьевой воды. Контроль за содержанием концентрации ХОС, показал, что в воде водохранилища эти соединения отсутствуют. Принятая на станции технология хлорирования воды приводит к их появлению в очищенной воде. На Новых Головных сооружениях также проводится очистка воды по двухступенной схеме на горизонтальных отстойниках и скорых фильтрах.
Результаты производственной апробации механических тихоходных мешалок
Механическое перемешивание обеспечивает: повышение эффективности процесса осветления воды примерно на 70%, причем около 20-50% обеспечивается быстрым перемешиванием лопастной мешалкой в смесителе и 50-80% -за счет медленного перемешивания объемными мешалками в камере хлопьеобразования. Роль быстрого или медленного перемешивания определяется качеством исходной воды; улучшение качества осветленной воды по мутности с 0,4-0,5 до 0,1 - 0,2 мг/л или с 1,2-1,4 до 0,2-0,4 мг/л и остаточного алюминия с 0,4-0,5 до 0,05-0,1 мг/л; сокращение расхода коагулянта примерно на 20-30%; гибкое регулирование интенсивности перемешивания и протекания процесса реагентной обработки и осветления воды, что важно при постоянно меняющемся по сезонам года качестве речной воды. 4. На основании полученных результатов разработано техническое задание на проектирование механических смесителей для осуществления опытно-производственной проверки метода.
Коагуляцией называется слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового (броуновского) движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты - более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления более мелких (первичных). Первичные частицы в таких скоплениях соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц (увеличением размера и массы агрегатов) и уменьшением их числа в объёме дисперсионной среды - жидкости или газа.
Различают быструю и медленную коагуляцию. При быстрой коагуляции почти каждое соударение частиц эффективно, т. е. приводит к их соединению; при медленной коагуляции соединяется часть сталкивающихся частиц. В жидкой среде, например при коагуляции золей, укрупнение частиц до известного предела (приблизительно до размера 10"4 см) не сопровождается их оседанием или всплыванием. Это скрытая коагуляция, при которой система сохраняет седиментационную устойчивость. Дальнейший рост частиц приводит к образованию сгустков или хлопьев (флокул), выпадающих в осадок (коагулят, коагель) или скапливающихся в виде сливок у поверхности; это явная коагуляция. В некоторых случаях при коагуляции во всём объёме дисперсионной среды возникает рыхлая пространственная сетка (коагуляци-онная структура) и расслоения системы не происходит. Если коллоидные частицы - капельки жидкости или пузырьки газа, то коагуляция может завершиться их слиянием, коалесценцией.
Коагуляция - самопроизвольный процесс, который, в соответствии с законами термодинамики, является следствием стремления системы перейти в состояние с более низкой свободной энергией. Однако такой переход затруднен, а иногда практически невозможен, если система агрегативно устойчива, т. е. способна противостоять укрупнению (агрегированию) частиц. Нарушить агрегативную устойчивость можно, например, повышением температуры (термокоагуляция), перемешиванием или встряхиванием, введением коагулирующих веществ (коагулянтов) и др. видами внешнего воздействия на систему. Минимальная концентрация введенного вещества, электролита или неэлектролита, вызывающая коагуляцию в системе с жидкой дисперсионной средой, называется порогом коагуляции. В полидисперсных системах, где частицы имеют разную величину, можно наблюдать ортокинетическую коагуляцию - налипание мелких частиц на более крупные при их оседании или всплывании. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных - гетерокоагуляцией или адагуляцией. Гетерокоагуляция часто происходит при смешении дисперсных систем различного состава. Коагуляция может наступить без какого-либо внешнего воздействия на коллоидную систему (автокоагуляция) как результат физических или химических изменений, происходящих при её старении. Иногда коагуляция обратима; в благоприятных условиях, особенно при введении поверхностно-активных веществ, понижающих поверхностную межфазную энергию и облегчающих диспергирование, возможен распад агрегатов на первичные частицы (пептизация) и переход коагеля в золь.
В настоящей работе предпринята попытка построить математическую модель, представляющую технологический процесс в смесителе и последующих сооружениях. Для представления процесса будем полагать, что в начальный момент времени (t0 =0) в объеме воды присутствуют потенциальные центры образования хлопьев (исходная мутность) в концентрации х, =х10. Эти центры, взаимодействуют с коагулянтом, т.е. происходит адсорбция, приводящая к снижению электрокинетического потенциала частиц примесей. Далее эти центры переходят в активно растущие ядра - зародыши будущих хлопьев. Убыль потенциальных центров происходит в соответствии с уравнением химической кинетики второго порядка где х,, х2 - текущие концентрации потенциальных центров коагуляции и коагулянта (х20 - концентрация коагулянта при t0 =0: доза коагулянта), к, - кинетическая константа. Полагаем, что х2 - параметр, т.е. вводимой дозы коагулянта достаточно, чтобы перевести все потенциальные центры в активно растущие ядра коагуляции. Это также означает, что вводимой дозы коагулянта достаточно, чтобы все частицы, обуславливающие мутность воды, перешли в разряд агрегативно неустойчивых, т.е. способных к последующей коагуляции. Тогда уравнение (1) примет вид
Уравнение (8) показывает, что концентрация активных ядер коагуляции определяется исходной мутностью (х10), дозой коагулянта (х20) и характером поверхности частиц исходной мутности (степенью гидрофильности или гид-рофобности, т.е. способностью поверхности к адсорбции ионов А13+ или Fe3+, Al(OH)2+ и т.п., что определяется кинетической константой к,).
При построении данного формализма введено допущение, что процесс смешения раствора коагулянта с исходной водой и его гидролиз являются быстрыми по сравнению с последующим процессом формирования активных ядер коагуляции. Это допущение принято с целью избежать излишних (для моделирования технологического процесса) усложнений; введение стадии гидролиза коагулянта затруднений не вызывает. В то же время введение стадии выравнивания концентрации раствора коагулянта в исходной воде требует использования одной из теорий турбулентности, например, теории изотропной турбулентности А.Н. Колмогорова и даст неоправданное усложнение математической модели (эти стадии предполагается ввести в модель в последующем).
Для существующих станций водоочистки
Разработанная математическая модель коагуляции (21) описывает технологический процесс в смесителях и камерах хлопьеобразования и формируется системой шести уравнений. Уравнение (26) описывает первую стадию процесса коагуляции - в смесителе, где происходит взаимодействие примесей в исходной воде с коагулянтом и зарождение будущих хлопьев. Уравнение (24) модели описывает вторую стадию процесса коагуляции - в камере хлопьеобразования, где происходит укрупнение и рост хлопьев коагулированных частиц (первый многочлен), а также их разрушение (второй многочлен).
Полученная математическая модель адекватно отражает процесс коагуляции на станции водоочистки и может применяться персоналом для выбора необходимых режимов перемешивания (в зависимости от дозы реагента, производительности станции, качества исходной воды и её температуры).
Выполненные экспериментальные оценки позволили придать аналитическим выражениям адекватный техно-моделирующий смысл. Это позволило эффективно планировать эксперименты и в дальнейшем построить алгоритм инженерных расчетов рассматриваемых технологических процессов и сооружений с помощью методов построения математических моделей. При этом удалось выйти на концепт-подходы позволяющие установить возможности и ограничения моделей, построенных на основе допущений, принятых в настоящей работе.
На основе выполненных теоретических проработок на ЮВС г. Ярославля намечено проведение экспериментальных исследований на реконструированных механических камерах хлопьеобразования с целью апробации математической модели.
Особенно остро вопрос о совершенствовании системы обработки воды коагулированием стоял при очистке воды на Южной водопроводной станции г. Ярославля [35]. Качество речной воды р. Которосль нестабильно и существенно изменяется по сезонам года, характеризуется цветностью от 15 до 80 град, и мутностью от 1 до 40 мг/л (большие значения относятся к паводкому периоду).
Опыт эксплуатации водопроводной станции показывает, что при очистке воды коагулированием, особенно в периоды с низкой температурой воды, коагуляция протекает вяло, хлопья образуются мелкие, плохо оседающие в отстойниках. В результате увеличивается нагрузка на фильтровальные сооружения, и в некоторые периоды года (осень перед ледоставом и в паводковый период, при низких температурах воды) мутность фильтрата не соответствует стандарту, кроме того, в очищенной воде отмечаются повышенные концентрации остаточного алюминия.
Проведенные экспериментальные исследования показали целесообразность применения механического смешения в камерах хлопьеобразования. С целью интенсификации процесса коагуляции, повышения эффективности и стабильности работы сооружений станции, а также улучшения качества очищенной воды было предложено установить в камере хлопьеобразования механические мешалки для улучшения процесса хлопьеобразования [34] за счет регулирования интенсивности перемешивания реагента с водой. В связи с этим дальнейшим этапом работы было проведение производственных испытаний для установления технологических показателей работы камер хлопьеобразования и отстойников при применении механических мешалок, и определение их влияния на качество обрабатываемой воды. Испытания проводили в характерные периоды года.
Проблемой являлось оснащение механическими мешалками смесителей и камер хлопьеобразования на действующих очистных станциях. Станции построены по типовым проектам, в которых применены камеры хлопьеобразования закрытого типа, встроенные в горизонтальные отстойники.
Поэтому для реализации этого проекта больше всего подходили сооружения ЮВС, где камеры хлопьеобразования открытые, в отличие от большинства других водопроводных станций с закрытыми камерами. В этом случае была возможность достаточно легко оснастить их оборудованием для механического перемешивания.
К сожалению, реализовать возможность устройства наиболее эффективных камер хлопьеобразования с поэтапным снижением интенсивности перемешивания по ходу движения воды и состоящих из двух-трех секций было нереально, хотя именно такие камеры в настоящее время широко применяются за рубежом.
В данном случае в камере хлопьеобразования, не имеющей перегородок, можно было осуществить лишь один этап перемешивания (без изменения интенсивности по ходу движения воды) и в соответствии с ее размерами установить две одинаковые мешалки. НИИ КВОВ при участии автора было подготовлено техническое задание на разработку проектной документации опытного образца оборудования с его привязкой в производственных условиях. На основании этого была рассчитана 4-х лопастная механическая мешалка и подобрано оборудование (двигатель и редуктор) для приведения ее в движение с изменяемой скоростью вращения от 0 до 3 об/мин. Выполнен проект установки механической мешалки в камере хлопьеобразования ЮВС.
Первоначально было решено установить механические мешалки в одной камере хлопьеобразования с целью изучения влияния эффективности механического перемешивания на процесс очистки воды в производственных условиях.
