Сравнительные испытания эффективности перехода от гидравлических камер хлопьеобразования к механическим на ВОС г. Северодвинска

В.М. Ульченко¹, И.Ю. Бойко²

1. В.М. Ульченко, заместитель технического директора

2. И.Ю. Бойко, инженер-технолог

Камеры хлопьеобразования (КХО) водопроводных сооружений предназначены для создания благоприятных условий образования и агрегации хлопьев в процессе коагуляционной обработки, формирования условия для дальнейшей их седиментации в отстойниках. От эффективности работы КХО во многом зависит работа не только седиментационных, но и последующих фильтровальных сооружений, и, в итоге, показатели качества очищенной воды на выходе из сооружений.

При реконструкции водопроводных сооружений г. Северодвинска (ВОС-2) для интенсификации процесса хлопьеобразования гидравлические КХО были реконструированы в механические, с установкой рамных перемешивающих устройств с пристенными турбулизаторами в соответствии с запатентованным техническим решением[1].

После окончания реконструкции была выполнена детальная оценка влияния скорости вращения мешалок в КХО на эффективность процесса осветления, результаты которой описаны в настоящей статье.

Характеристика камер хлопьеобразованияВ очистных сооружениях после смешения с реагентами вода поступает по трубам на первую ступень очистки в горизонтальные отстойники со встроенными КХО зашламленного типа (см. рис. 1). Каждому отстойнику соответствует одна камера длиной 4,9 м, шириной 5,8 м. Проектная высота уровня воды в камерах хлопьеобразования – 3,8 м.

Рис. 1. Схема камеры хлопьеобразования (КХО) с рамной мешалкой ПП «Экополимер»

1 – вход воды в КХО; 2 – распределительная перфорированная труба; 3 – рамная мешалка ЭМТ-1–304;

4 – пристенный турбулизатор; 5 – электропривод мешалки.

Рис. 2. Мостик с приводами мешалок и шкафами управления

Перегородка с переливом, отделяющая камеру от зоны отстаивания, выполнена в виде бетонной наклонной стенки высотой 3 м, формирующей ширину камеры у днища, равную 2,6 м. Полезный объем одной камеры хлопьеобразования равен 85 м3. Время пребывания воды в камере составляет 25-30 минут в зависимости от подачи.

В ходе реконструкции КХО были оборудованы перемешивающим оборудованием.

Характеристика мешалок, установленных в камерах хлопьеобразования

Частотно-регулируемые рамные мешалки ЭМТ-1–304ПП «Экополимер» были установлены согласно проекту реконструкции ВОС-2 г. Северодвинска, выполненного компанией «Май Проект» в 2014 г. Для их установки проектом предусмотрен мостик, проходящий вдоль всех 12 КХО и служащий опорой для мешалок (см. рис. 2). На мостике также расположены шкафы управления мешалками, один шкаф управления предусмотрен для 3-х мешалок.

Технические характеристики мешалок в КХО представлены в табл. 1.

Рабочая поверхность установленных мешалок составляет 4,2 м2 . При диаметре 3,48 м и частоте вращения 3,6 об/мин среднее рассеивание энергии поверхностью мешалки составляет 102 Дж/(м2 ·ч). Рамная мешалка позволяет равномерно распределить вносимую энергию в объеме воды, и добиться максимальной агрегации хлопьев, и в тоже время свести к минимуму их разрушение, что имеет особое значение при очистке высокоцветных маломутных вод.

Таблица 1. Технические характеристики мешалок, установленных в КХО

Методика проведения экспериментальных работ

Производственный эксперимент по оценке эффективности работы механических КХО проводился в феврале-марте 2016 г. на отдельной линии ВОС-2, состоящей из одного смесителя, трех КХО и трех отстойников (№ 10-12). Схема сооружений, точки ввода реагентов, а также отбора проб представлены на рис. 3.

Рис. 3. Схема линии осветления, использованной в ходе производственного эксперимента, с указанием точек контроля

Анализ осуществлялся по показателям «мутность» и «цветность», всего было выполнено 97 определений, по 21–28 в каждой серии.

Вода из точки 2 (после отстойников) анализировались во взболтанной пробе, а вода, отбираемая из КХО (точка 1) – в осветленной пробе, после 2-х часов отстаивания.

Оценка влияния режима перемешивания на процесс хлопьеобразования проведен в 4 серии, с изменением условий перемешивания в отдельных отстойниках, чтобы исключить влияние каких-либо конструктивных особенностей камер хлопьеобразования и отстойников на кинетику осветления очищаемой воды. Характеристика работы перемешивающих устройств камер хлопьеобразования для серий экспериментальных работ представлена в табл. 2

Таблица 2. Характеристика работы мешалок камер хлопьеобразования при проведении экспериментальных работ

Для сравнительной оценки работы камер хлопьеобразования с механическим перемешиванием были выбраны режимы: без перемешивания и два режима с перемешиванием различной интенсивности. Различие обеспечивалось подачей на привод мешалки электротока без регулирования частоты (50 Гц) и с регулированием до 30 Гц, что соответствует максимальной радиальной скорости вращения наиболее удаленной от вала точки перемешивающих устройств равной 0,6 и 0,36 м/с, соответственно.

В сериях 1 и 3 как классическая гидравлическая КХО использовалась камера в отстойнике № 10, а в сериях 2 и 4 – КХО отстойника № 12.

Промежутки между отборами пробы воды составляли 1–2 часа, а продолжительность каждой серии 7–12 часов.

В сериях 1 и 2 отбор проб производился в точке 2 (см. рис. 1), на выходе осветленной воды из отстойника, а в сериях 3 и 4 отбор проб выполнялся непосредственно из КХО в точке 1 (см. рис. 1). Пробы воды в сериях 3, 4 отбирались батометром с глубины 1,5 м от поверхности на выходе из центральной части КХО, после чего в лабораторном стакане объемом 1 л проводилось отстаивание в течение 2 часов. Затем для исследований из стакана с глубины 30 мм отбиралась проба отстоянной воды, в которой проводилось определение показателей «мутность» и «цветность».

Также была выполнена оценка концентрации «контактной среды» камер хлопьеобразования отстойников в зависимости от скорости вращения мешалки.

Исследование воды проводилось на фотоэлектроколориметре RD/890 Hach, на основании встроенных программ определения цветности (№ 19) и мутности (№ 95).

Характеристика исходной воды

Качество воды, поступающей на очистку в период проведения экспериментов, представлено в табл. 3. Вода характеризовалась высокой цветностью, низкой мутностью, небольшим щелочным резервом и крайне низкой температурой. Следует отметить, что именно очень низкая температура воды зимой явилась причиной проведения работ по повышению эффективности коагуляции путем реконструкции КХО.

Таблица 3. Характеристика воды, поступающей из водоисточника

Используемые реагенты и дозы

Для реагентной очистки на сооружениях используются: коагулянт – сернокислый алюминий, подщелачивающий реагент – сода, флокулянт – Praestol 650TR.

Смешение растворов реагентов с водой происходит в коридорном двухуровневом смесителе с механическими перемешивающими устройствами, которые установлены, как в зоне ввода коагулянта, так и в зоне ввода флокулянта.

Предварительно была проведена пробная коагуляция и определены оптимальные дозы реагентов для очистки, которые поддерживались автоматическими дозирующими станциями.

В последней серии было отмечено изменение качества входящей воды. В этой ситуации, исходя из опыта эксплуатации, для снижения цветности было бы оптимально повысить дозу коагулянта и снизить рабочую точку рН с 6,1 до 5,7. Однако, поскольку это привело бы к росту растворимости соединений алюминия и повышению его остаточной концентрации в очищенной воде после скорых фильтров (на протяжении экспериментов она не превышала 0,19 мг/л), условия коагуляции были оставлены без изменения. Как видно из табл. 6, 7, это привело к росту цветности и мутности в отстоянной воде и увеличению грязевой нагрузки на скорые фильтры. Однако, в очищенной воде эти показатели, а также концентрация растворенного алюминия, были в норме.

Дозы реагентов, которые на протяжении всех испытаний поддерживались в автоматическом режиме, представлены в табл. 4.

Таблица 4. Дозирование реагентов

Результаты исследования

В ходе двух первых серий экспериментов было изучено влияние перемешивания КХО зашламленного типа на концентрацию слоя осадка («контактной среды»). Отбирались пробы среды непосредственно из КХО, концентрация взвешенных веществ оценивалась по показателю «мутность». Средние результаты представлены в табл. 5.

Таблица 5. Зависимость мутности среды в КХО от условий перемешивания

Наибольшее содержание взвешенных частиц (по мутности) было в КХО, работающих как гидравлические, с остановленной мешалкой: 239–248 мг/л; наименьшее – с мешалкой, работающей на максимальных оборотах (при частоте тока 50 Гц), 219–228 мг/л. Прослеживается тенденция снижения концентрации контактной среды в камере хлопьеобразования с ростом скорости вращения мешалки.

Лучший результат по цветности отстоянной воды получен при радиальной скорости вращения мешалки 0,36 м/с (табл. 6), для трех серий из четырех.

Таблица 6. Зависимость цветности осветленной воды, отобранной после КХО, от условий перемешивания

Немного выше среднее значение цветности после КХО с мешалкой при радиальной скорости 0,6 м/с, и самый плохой результат осветления воды наблюдался после камеры хлопьеобразования, работающей без дополнительного перемешивания. Следует предположить, что увеличение скорости вращения до 0,6 м/с приводит к частичному разрушению образующихся хлопьев.

Результаты исследований представлены в графическом виде на рис. 4.

Рис. 4. Сравнительная характеристика остаточной цветности отстоянной воды при различной частоте вращения мешалок в КХО

Также следует отметить, что разница в цветности между водой после гидравлических и механических КХО при отстаивании в отстойнике доходит до 25–30 %, в пользу механического перемешивания, а при отстаивании в лабораторных условиях разница снижается до 15 % за счет роста эффективности отстаивания воды после гидравлической КХО.

Результаты исследования мутности воды, прошедшей камеры хлопьеобразования с различной скоростью вращения мешалок, после отстаивания представлены в табл. 7.

Лучший результат по мутности отстоянной воды получен после КХО с мешалкой, работающей при радиальной скорости вращения 0,36 м/с. Немного выше среднее значение мутности воды наблюдается при радиальной скорости мешалки 0,6 м/с, и самый плохой результат осветления воды – после гидравлической КХО. Таким образом, полученные результаты аналогичны вышеописанной зависимости для цветности.

Результаты исследований представлены в графическом виде на рис. 5.

Рис. 5. Сравнительная характеристика остаточной мутности отстоянной воды

При отстаивании в отстойнике разница по показателю «мутность» между гидравлической и механической камерами хлопьеобразования еще больше, чем по показателю «цветность», и доходит до 50–60 % в пользу механической. А в случае отстаивания в лабораторных условиях разница мутности между наилучшим результатом для КХО и гидравлической камерой не превышает 10 %.

При использовании механических камер хлопьеобразования более эффективно выделяется углекислота, образовавшаяся в результате подщелачивания воды содой, и меньше наблюдается флотация коагулированных примесей, как в самой КХО, так и в отстойнике. Возможно, флотация примесей углекислотой в отстойнике и является основным фактором, негативно влияющим на результаты работы гидравлических КХО зашламленного типа в сравнении с механическими, что продемонстрировали исследования на сооружения г. Северодвинска.

Механические устройства для перемешивания в камерах хлопьеобразования имеют определенные преимущества и позволяют значительно снизить нагрузку на фильтровальные сооружения. Основным показателем, определяющим продолжительность фильтроцикла скорых фильтров, является мутность. При снижении на отстойниках мутности на 50 % можно ожидать аналогичного увеличения фильтроцикла на скорых фильтрах и, следовательно, сокращения энергозатрат на промывку, а также расхода промывной воды на собственные нужды водопроводными сооружениями.

Выводы

В сравнительном исследовании гидравлической и механической камер хлопьеобразования показано технологическое преимущество последней.

Мешалки камеры хлопьеобразования должны иметь возможность изменять скорость вращения в целях настройки этого параметра под определенные условия, с учетом свойств поступающей на очистку воды и используемых реагентов. Определено, что оптимальная радиальная скорость вращения мешалки камеры хлопьеобразования ВОС-2 г. Северодвинска при низкой температуре воды должна быть около 0,36 м/с.

Использование перемешивающих устройств в камерах хлопьеобразования позволит до 50 % снизить грязевую нагрузку на фильтровальные сооружения, а, следовательно, и существенно уменьшить энергозатраты, а также потери очищенной воды на технологические нужды – промывку скорых фильтров.

При использовании механических перемешивающих устройств снижается концентрация «контактной среды» в камерах хлопьеобразования, но результаты работы КХО показывают, что этот фактор не имеет решающего значения за счет того, что в камеру вносится дополнительная энергия, способствующая агрегации частиц.

Мешалки камер хлопьеобразования способствуют лучшему выделению растворенных в воде газов, в данном случае – углекислоты, образовавшейся при подщелачивании, что уменьшает последующую флотацию примесей в отстойниках.

Литература

Мешенгиссер Ю.М, Журба М.С, Пелых С.Н., Ульченко В.М. Камера хлопьеобразования // Патент RU 146147 U1, 4.03.2014