Способ определения рабочих доз коагулянта в процессах очистки природных вод

Способ определения рабочих доз коагулянта в процессах очистки природных вод

Реферат

Изобретение относится к области реагентной очистки воды, в частности к определению доз алюминий содержащих коагулянтов: сульфата и оксихлорида алюминия.

Известен способ определения доз коагулянта при реагентой очистке природных вод, заключающийся в проведении пробного коагулирования в цилиндрах с последующим отстаиванием воды в них не менее 30 минут и последующим определением мутности и цветности отстоенной воды [1, 2].

Недостатком этих способов, является отсутствие возможность прямого учета таких важных показателей качества исходной воды, влияющих на коагулируемость взвеси, как температура (t, °С), щелочность (Щ, моль/дм³), общее солесодержание (С, мг/дм³), характеристики устойчивости коллоидов: «дзетта-потенциал» (-ζ, мВ) и окисляемости: редокс-потенциал (-Е, мВ).

Известен способ расчетного определения доз коагулянтов в разные сезоны года и изменения качества исходной воды на основании статистической обработки исходных данных по эмпирическим зависимостям вида [3]:

Д к I = 0,9 Ц − 13,8 Щ − 0,4 t + 0,9 Д х + 4,                         ( 1 )

где Ц - цветность, град.; Щ - щелочность, мг-экв/л; t - температура воды, °С; Д_х - доза хлора, мг/л.

Недостатком этого способа является то, что в нем не учитываются в формализованном виде (количественном значении) электрокинетический и окислительно-восстановительный потенциал, характеризующие кинетическую, агрегативную устойчивость коллоидных систем и окислительно-восстановительные реакции при добавлении в воду алюминий содержащих коагулянтов.

Наиболее близким по сути заявляемого изобретения является метод определения требуемой дозы коагулянта на основе применения дзетта-метрического метода по зависимости [4, 5]:

Д к = ( A ζ − B ) К х ,                                             ( 2 )

где ζ - дзетта-потенциал взвеси в исходной воде, мВ; A и B - показатели зависящие от вида применяемого коагулянта и температуры воды; К_х - коэффициент увеличения дозы, зависящий от режима первичного хлорирования воды перед коагулированном.

Недостатком этого метода является отсутствие в этой зависимости основных показателей качества исходной воды - мутности, цветности, окисляемости и не учет роста остаточного алюминия в воде после ее отстаивания и фильтрования, а также то, что даже в первом приближении в нем не учитывается воздействие на процесс коагуляции щелочности, солесодержания и редокс-потенциала.

Технологическим результатом предлагаемого изобретения является осуществление возможности оперативного и более точного определения требуемых доз коагулянта при изменении устойчивости коллоидных примесей и качества очищаемых вод в водоисточнике без проведения каждый раз повторного пробного коагулирования исходной воды.

Этот результат достигается тем, что при изменении качества воды в водоисточнике новую требуемую дозу коагулянта определяют по предложенной регрессионной зависимости учитывающей влияние на процесс коагуляции не только основных показателей качества очищаемых вод (таких как мутность, цветность, перманганатная окисляемость и остаточный алюминий), но и комплексный показатель представляющий собой характеристику устойчивости (сопротивляемости к коагуляции) минеральных и органических примесей в очищаемой воде.

Способ определения требуемой дозы коагулянта осуществляют следующим образом.

В расчетную регрессионную зависимость, полученную ранее на базе статистической обработки исходных экспериментальных данных (см.табл.1), для конкретного водоисточника в местах водоотбора и имеющую вид:

Д к = f ( М , Ц , П О , A l о с т ) ,                         ( 3 )

где Д_к - рабочая доза коагулянта, мг/л; М, Ц, ПО, Al_ост - соответственно показатели мутности, цветности, перманганатной окисляемости и остаточного алюминия, вводится дополнительный комплексный показатель коагулируемости коллоидной взвеси S_к, определяемый как:

S к = A t α Щ β С γ ( − ζ ) n ( − E h ) m ,                           ( 4 )

где t - температура, °С; Щ - щелочность, мг-экв/л; С - общее солесодержание, мг/л; (-ζ) - отрицательное значение дзетта-потенциала, мВ; (-Eh) - отрицательное значение окислительно-восстановительного потенциала, мВ; A, α, β, γ, n, m - константы и коэффициенты регрессии, из которых оптимальную дозу коагулянта определяют по минимальным полученным значениям М, Ц, ПО и Al_ост в отстоенной в течение 30 минут воде после ее коагулирования реагентами с диапазоном доз от 0,2 до 10 мг/л по Al₂O₃ при М≤100 мг/дм³ и Ц≤100 град. и от 10 до 50 мг/л при больших указанных значениях этих ингредиентов и концентрациях рабочих растворов коагулянта от 1,5 до 5%.

Таблица 1
Характеристика исследуемой воды и коагулируемости примесей.
Показатели качества исходной воды	Физико-химические показатели, используемые для оценки различных формул для определения доз коагулянта	Доза коагулянта по Al2O3, Дк, мг/л
М, мг/л	Ц, град.	ПО, мг O2/л	Al, мг/л	NH4, мг/л
ζ, мВ	Eh, мВ	Т, °С	рН	Щ, мг-экв/л
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
6,0	32	7,4	0,06	н/опр.	-23,5	365	9	9,5	2,25	0,6
9,1	46	7,4	0,06	н/опр.	-24,0	410	9	8,2	2,25	0,8
11,8	55	7,5	0,06	1,8	-26,0	435	10	8,1	2,3	1,0
5,7	26	8,7	0,06	н/опр.	-31,2	244	8	8,5	2,2	0,6
2,2	32,5	8,2	0,1	н/опр.	-30,9	395	11	7,7	2	0,5
10,4	112	8,0	0,15	2,4	-38,4	376	13	8,2	1,8	1,5
9,7	110	8,2	0,15	н/опр.	-38,4	376	13	8,2	2,2	1,2
10,0	100	8,0	0,2	н/опр.	-38,7	376	13	8,0	2,2	1,0
22,9	151	8,0	0,05	2,9	-38,4	411,5	10	8,0	3,0	1,5
20,0	170	8,2	0,07	н/опр.	-40,0	350	10	7,8	2,2	2,0
Примечание: Условные обозначения: NH4 - азот аммонийный, остальные показатели - см. по тексту. Общее солесодержание варьировалось в опытах в пределах от 400 до 450 мг/л и в расчетных формулах учтено коэффициентом α0.

Пример определения доз коагулянта.

Для оценки и обоснования вида регрессионных зависимостей, в том числе и с учетом комплексного показателя коагулируемости взвеси S_к, дозы коагулянта рассчитывалась по трем вариантам:

1 вариант: Д к = f 1 ( М 0 , Ц 0 , П О 0 , A l ) ,                     ( 5 )

2 вариант: Д к = f 2 ( М 0 , Ц 0 , П О 0 , A l , S к ) ,                   ( 6 )

3 вариант: Д к = f 3 ( ζ , E h , t , p H , Щ ) ,                       ( 7 )

Методами математической статистики были найдены во всех зависимостях коэффициенты регрессии.

В результате расчетов для первого варианта были получены следующие значения коэффициентов регрессии: α₀=0,0378; α₁=0,0772; α₂=0,5827; α₃=0,2410; α₄=-0,0516, после чего Д к = α 0 М 0 α 1 Ц 0 α 2 П О 0 α 3 A l α 4 преобразуется в виде:

Д к = 0,0378 М 0 0,0772 Ц 0 0,5827 П О 0 0,2410 A l − 0,0516 .                     ( 8 )

По второму варианту зависимость для определения дозы коагулянта имела вид: Д к = β 0 М 0 β 1 Ц 0 β 2 П О 0 β 3 A l β 4 S к β 5 . В этом варианте дополнительно были вычислены значения S к = ( t ⋅ Щ ⋅ E h ( − ζ ) ⋅ p H ) , приведенные в таблице 2.

Таблица 2
Результаты расчета Sк
ζ, мВ	Eh, мВ	t, °C	рН	Щ, мг-экв/л	Sк
-23,5	365	9	9,5	2,25	33,11
-24,0	410	9	8,2	2,25	42,19
-26,0	435	10	8,1	2,30	47,51
-31,2	244	8	8,5	2,20	16,19
-30,9	395	11	7,7	2	36,52
-38,4	376	13	8,2	1,8	27,94
-38,4	376	13	8,2	2,2	34,15
-38,7	376	13	8,0	2,2	34,73
-38,4	411,5	10	8,0	3,0	40,19
-40,0	350	10	7,8	2,2	24,68

Подставляя полученные значения коэффициентов регрессии (β₀=27,0217; β₁=0,0232; β₂=0,6629; β₃=-2,2302; β₄=-0,0766; β₅=-0,4973) получили:

Д к = 27,0217 М 0 0,0232 Ц 0 0,6629 П О 0 − 2,2302 A l − 0,0766 S x − 0,4973 .               ( 9 )

По третьему варианту зависимость была принята в неявном виде: Д к = γ 0 ( − ς ) γ 1 E h γ 2 t γ 3 p H γ 4 Щ γ 5 и после подстановки вычисленных значений коэффициентов регрессии (γ₀=0,0011; γ₁=-1,5065; γ₂=-0,7794; γ₃=5,8122; γ₄=-1,5504; γ₅=6,5842) была преобразована в вид:

Д к = 0,0011 ( − ς ) − 1,5065 E h − 0,7794 t 5,8122 p H − 1,5504 Щ 6,5842 .               ( 10 )

Результаты расчета Д_к по трем вариантам сведены в таблицу 3. Сравнение различных формул для определения дозы коагулянта по сумме квадратов невязок (оценке качества полученной формулы) показали, что наилучшие результаты получены по формуле (4), худшие - по формуле (5). Следовательно, последняя в меньшей степени пригодна для практического применения.

Как видно предложенный метод обработки экспериментальных данных увеличивает степень точности расчетной зависимости по сумме квадратов невязок, между первым и вторым вариантами, в 2,57 раза. Третий вариант приводит к неприемлемой величине суммы квадратов невязок. Предложенный по первому варианту метод при изменении показателей качества воды в заданном интервале их варьирования, позволяет использовать необходимость повторного экспериментального определения новой дозы коагулянта пробным коагулированием воды, это особенно важно в случаях быстрого изменения качества воды в водоисточнике (например, в паводковые периоды весеннего половодья и осенних холодных дождей).

Таким образом, предложенный метод определения необходимых доз коагулянта, учитывающий в комплексе как основные показатели качества исходной воды (М, Ц, ПО, Al_ост), так и показатель коагулируемости примесей, связывающий Eh, рН, ζ, Щ, Т и С позволяет сократить объемы работ по пробному коагулированию.

Таблица 3
Сравнение полученных расчетных формул для определения дозы коагулянта по трем вариантам
Дк, мг/л	∑Sфх	1 вариант	2 вариант	3 вариант
Доза коагулянта, рассчитанная по формуле (8)	Невязка (разность) между истинной дозой и рассчитанной по формуле (8)	Сумма квадратов невязок (оценка качества полученной формулы)	Доза коагулянта, рассчитанная по формуле (9)	Невязка	Сумма квадратов	Доза коагулянта, рассчитанная по формуле (10)	Невязка	Сумма квадратов невязок
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
0,6	33,11	0,61	-0,01	0,1916	0,70	-0,10	0,0746	0,21	0,39	6,0337
0,8	42,19	0,78	0,02	0,80	0,00	0,23	0,57
1,0	47,51	0,89	0,11	0,83	0,17	0,42	0,58
0,6	16,19	0,56	0,04	0,61	-0,01	0,10	0,50
0,5	36,52	0,57	-0,07	0,51	-0,01	0,26	0,24
1,5	27,94	1,29	0,21	1,39	0,11	0,24	1,26
1,2	34,15	1,28	-0,08	1,18	0,02	0,89	0,31
1,0	34,73	1,19	-0,19	1,13	-0,13	0,91	0,09
1,5	40,19	1,73	-0,23	1,57	-0,07	1,44	0,06
2,0	24,68	1,81	0,19	1,99	0,01	0,21	1,79

Список используемых документов

1. Методики проведения технологических изысканий моделирования процессов очистки воды на водопроводных станциях. Раздел 2.1. Пробное коагулирования воды. - М.: ОАО «НИИ КВОВ», 2001.

2. Гороновский И.Т., Руденко Г.Г. Эксплуатация станций подготовки хозяйственно-питьевой воды (Гл.1. Статистические методы прогноза расхода коагулянтов). - Киев: Из-во «Будiвельник», 1975.

3. Драгинский В.Л., Алексеева Л.П., Гетманцев С.В. Коагуляция в технологии очистки природных вод. - М.: НИИ КВОВ, 2005.

4. Рекомендации по применению дзета-метрических методов для контроля и регулирования технологического режима работы водоочистных сооружений. - Новочеркасск: НМИ, 1976.

5. А.с. 1383190 СССР, МКИ G01N 27/26. Способ определения электрофоретической подвижности дисперсных частиц суспензий. БИ №11, опубл. 23.03.88.

6. Бахвалов Н.С. и др. Численные методы: учеб. пособие для вузов / Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков. - М.: Лаб. Баз. Зн., 2002. - 632 с.

Способ определения рабочих доз коагулянта в процессах очистки природных вод, включающий проведение пробного коагулирования с визуальной оценкой образования и осаждения хлопьев скоагулированной взвеси и выполнением анализов воды по мутности, цветности, окисляемости и остаточному алюминию, отличающийся тем, что дополнительно определяют температуру, щелочность, общее солесодержание, электрокинетический и окислительно-восстановительный потенциал и устанавливают аналитические зависимости вида:Д_к=f(М,Ц,ПО,Al_ост,S_к),где Д_к - требуемая рабочая доза коагулянта, мг/дм³; М, Ц, ПО, Аl_ост - соответственно показатели мутности, цветности, перманганатной окисляемости и остаточного алюминия; S_к - комплексный показатель коагулируемости коллоидной взвеси, определяемый как S к = A t α Щ β С γ ( − ζ ) n ( − E h ) m ,где t - температура, °С; Щ - щелочность, мг-экв/л; С - общее солесодержание, мг/л; (-ζ) - отрицательное значение дзетта-потенциала, мВ; (-Eh) - отрицательное значение окислительно-восстановительного потенциала, мВ; А, α, β, γ, n, m - константы и коэффициенты регрессии, из которых оптимальную дозу коагулянта определяют по минимальным полученным значениям М, Ц, ПО и Аl_ост в отстоенной в течение 30 мин воде после ее коагулирования реагентами с диапазоном доз от 0,2 до 10 мг/л по Al₂O₃ при М≤100 мг/дм³ и Ц≤100 град. и от 10 до 50 мг/л при больших указанных значениях этих ингредиентов и концентрациях рабочих растворов коагулянта от 1,5 до 5%.