Котовская Е.Е. Определение оптимальных доз коагулянта

.
27, 2009 .
87
УДК 628.16.004
Котовская Е.Е., аспирант
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
Определение оптимальных доз коагулянта ПолиДАДМАХ
Е
К
.к
в
отсая
при очистке природных вод в системе централизованного водоснабжения
Представлена математическая модель реагентного фильтрования для коагулянта ПолиДАДМАХ. При
помощи полученной математической модели выбраны оптимальные дозы коагулянта и минимальное время
фильтрования при различной заданной степени очистки.
Доза коагулянта, математическая модель, реагентное фильтрование, экспериментальная установка, степень
очистки.
Многолетние наблюдения показали, что качественные показатели воды в водохранилищах в течение года изменяются неоднократно. Колебания по показателю «взвешенные вещества» происходят
непрерывно, по показателю «цветность» наблюдается большая повторяемость в течение года, большие отклонение от средних значений происходят по содержанию органических веществ и некоторым
другим ингредиентам; амплитуда колебаний «взвешенных веществ» может отличаться в разные годы в
несколько раз [1].
Чаще всего выбор решения по реагентной обработке природной водохранилищной воды и по
скоростным параметрам проводится интуитивно или по опыту предыдущих лет. В отдельных случаях
ведутся опыты по технологическому моделированию процесса очистки природной воды. В работах
Найденко В.В., Журбы М.Г., Говоровой Ж.М. и Гордина И.В. предложены методики оперативного
управления сложными водоочистными процессами и их оптимизации для поверхностных вод центральной части России и традиционных коагулянтов [2, 3, 4, 5].
В данной работе представлена модель оптимизации дозы коагулянта и минимального времени фильтрования при подготовке питьевой воды
(на примере воды водохранилища «Межгорное»),
которая получена на основании результатов математического моделирования процесса реагентного фильтрования.
Исследования проводили на экспериментальной установке, схема которой приведена на рис.1.
В установке исходная вода после добавления коагулянта фильтруется снизу вверх через
слой плавающей загрузки с расчетной скоростью, при этом взвешенные вещества задерживаются в порах загрузки. Очищенная вода скапливается в надфильтровом объеме и отводится.
В качестве реагента использован современный коагулянт марки ПолиДАДМАХ (FLOBEADS
DB 45 SSH фирмы SNF FLOERGER). При эксперименте изменяли продолжительность фильтрования t, дозу коагулянта d, скорость фильтрования
Рис.1. Схема экспериментальной установки: v, концентрацию взвешенных веществ в исходной
1 - слой плавающей фильтрующей загрузки; воде C0 и фиксировали концентрации взвешенных
2 - корпус фильтра; 3 - надфильтровый объем; веществ в очищенной воде С. На основании тео4 - подфильтровый объем; 5 - трубопровод рии размерностей [6] получим безразмерные комотвода очищенной воды; 6 - трубопровод плексы для процесса реагентного фильтрования,
выпуска осадка; 7 - трубопровод подачи которые при геометрическом подобии фильтров
коагулянта в исходную воду; 8 - слой становятся критериями подобия процесса фильтрования. Для этого выделим характерные паравзвешенного осадка
метры и их размерности:
88
.
27, 2009 .
С0, кг/м3 – начальная концентрация взвеси в воде на входе в фильтр;
С, кг/м3 – конечная концентрация взвеси на выходе из фильтра;
v, м/ч – скорость движения воды в фильтре;
t, ч – продолжительность фильтрования;
l, м – высота слоя загрузки фильтра;
d, кг/м3 – доза реагента.
Тогда из шести параметров получим три безразмерных комплекса:
С d l
; ;
.
С0 C0 v  t
d
представляет собой дозу реагента, приходящуюся на единицу начальной конC0
центрации взвеси. Этот комплекс используется в практике фильтрования. Обозначим:
d
R
.
(1)
C0
Комплекс l
не нашел физической трактовки. В книге Шехтмана Ю.М. этотт
v t
комплекс назван U– критерием подобия процесса фильтрования [7]. Журба М.Г. продолжитель-
В литературе комплекс ность фильтрования t заменил продолжительностью фильтроцикла tф и получил комплекс l
,
v  tф
названный критерием подобия работы зернистых фильтров [8].
Рассмотрим физический смысл комплекса l
. Умножим и разделим комплекс на площадь
v t
поперечного сечения фильтра, D (D – диаметр фильтра) и получим:
4
2
l  D 2
Wф
l
4


,
vt
Qt
D 2
vt 
4
где Wф – объем фильтра, м3; Qt - суммарный расход воды за время фильтрования.
(2)
l
представляет собой объем фильтра, приходяv t
щийся на единицу суммарного расхода воды за время фильтрования. Если рассматривать суммарВыражение (2) показывает, что комплекс ный расход воды Qt как водяную нагрузку на фильтр, то комплекс нагрузки на фильтр:
l
можно назвать комплексом
м
v t
l
.
v t
Тогда функциональную связь можно записать в виде:
(3)
 d l 
С
 ;
 f  ,
С0
 C0 v  t 
(4)
С
 f  R, Ф  .
С0
(5)
Ф
.
89
27, 2009 .
Результаты многофакторного эксперимента приведены в табл. 1.
Таблица 1
Критериальные соотношения параметров работы установки
N, п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
С/С0
1
0,7
0,6
0,1200
0,0875
0,1071
0,0833
0,1077
0,0778
0,0765
0,0706
0,0350
0,0450
0,0667
0,0733
0,0550
0,0588
0,0556
0,0600
0,0882
0,0833
0,0824
0,0632
0,0778
0,0706
0,1333
0,3824
0,3056
0,4891
0,3158
0,2500
d/С0
0,0001
0,0002
0,0003
0,0067
0,0063
0,0064
0,0050
0,0062
0,0044
0,0047
0,0047
0,0020
0,0025
0,0044
0,0053
0,0045
0,0047
0,0044
0,0047
0,0006
0,0050
0,0053
0,0053
0,0044
0,0053
0,0089
0,0129
0,0144
0,0120
0,0105
0,0122
Результаты обобщений данных табл. 1 приведены на рис. 2-4.
Рис. 2. Зависимость С/С0 от критерия d/Cо в диапазоне от 0,0001 до 0,0055
l/vt
0,0003
0,0005
0,005
0,0160
0,0156
0,0144
0,0126
0,0121
0,0112
0,0105
0,0103
0,0237
0,0238
0,0199
0,0174
0,0159
0,0146
0,0130
0,0120
0,0176
0,0147
0,0128
0,0114
0,0098
0,0088
0,0079
0,0123
0,0113
0,0100
0,0085
0,0076
90
.
27, 2009 .
Рис. 3. Зависимость С/С0 от критерия d/Cо в диапазоне от 0,0055 до 0,021.
Рис. 4. Зависимость С/С0 от критерия l/vt.
В интервале от 0,0001 до 0,0055 экспериментальные точки на рис. 2 обобщены следующим
соотношением при индексе корреляции 0,855
0 , 623
d 
С
.
(6)
 0,0023 
С0
 C0 
В интервале от 0,0055 до 0,021 экспериментальные точки на рис. 3 обобщены зависимостью
при индексе корреляции 0,949
1, 413
d 
С
 135,91 
.
(7)
С0
 C0 
Экспериментальные точки на рис. 4 обобщены соотношением, при индексе корреляции 0,756
С
l
 0,0041 
С0
 vt 
0 , 731
.
(8)
.
91
27, 2009 .
Соотношения 6-7 и рис. 2-3 показывают, что с увеличением относительной дозы коагулянта
происходит улучшение очистки, однако по мере увеличения относительной дозы коагулянта, он
сам по себе становится загрязнителем и происходит ухудшение качества очистки. При этом отноd
 0,0055 .
C0
В соответствии с формулой 2 увеличение l/vt соответствует уменьшению суммарного расхода
воды за время фильтрования, что соответственно улучшает степень очистки.
Для выбора оптимальной дозы коагулянта и продолжительности фильтрования зададимся допустимой конечной концентрацией С после фильтрования С=1,5 мг/л, тогда при разных значениях
сительная доза коагулянта при которой достигается наилучшая степень очистки С0 получим необходимое соотношение С
, по которому с использованием формул 6-8 определяС0
d
l
и , а затем определяем оптимальную дозу коагулянта d и продолжительv t
C0
ность фильтроцикла t (при v=6 м/ч). Эти данные приведены в табл. 2. По этим данным построены зависимости d и t от С0, (рис. 5).
Таблица 2
ем комплексы Таблица соотношений между исходной концентрацией и дозой реагента, временем
фильтрования
С0, мг/л
С/С0
d/C0
d, мг/л
l/vt
t, час
5
0,3
0,0004
0,002
0,003
71,027
12
0,125
0,002
0,020
0,009
21,444
20
0,075
0,004
0,074
0,019
10,661
Рис. 5. Соотношения между исходной концентрацией взвеси и дозой реагента, временем
фильтрования.
Из рис. 5 следует, что при увеличении степени загрязнения (С0) увеличивается необходимая
доза реагента и уменьшается время фильтрования, в связи с его более быстрым засорением.
Данные в табл. 2 и на рис. 5 позволяют получить аналитическое выражение для оптимальной
дозы коагулянта в зависимости от С0 и минимальное время фильтроцикла.
92
.
27, 2009 .
Оптимальную дозу коагулянта можно определить по следующему соотношению (при индексе корреляции 1,0):
;
d опт  0,002C 0 
а минимальное время фильтрования по соотношению (при индексе корреляции 1,0):
3, 288
(9)
t min  71,008C 0 
;
(10)
Соотношения 9 и 10 позволяют оптимизировать процесс очистки поверхностных вод в системе централизованного водоснабжения при использовании коагулянта ПолиДАДМАХ.
1, 726
ВЫВОДЫ:
1. Приведены критерии подобия реагентного фильтрования природных вод и выявлен физический
l
.
v t
2. Получена математическая модель зависимости степени очистки от критерия относительной дозы
и комплекса нагрузки на фильтр.
3. При помощи указанной математической модели получены соотношения для выбора оптимальной
дозы и минимальной продолжительности фильтрования в зависимости от исходных загрязнений.
смысл критерия СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Котовская Е.Е. Гидрохимическая оценка качества воды водохранилища «Межгорное» и оптимизация технологии водоподготовки.- Сборник научных трудов НАПКС выпуск № 13-14, Симферополь, 2006. - 186-188 с.
2. Найденко В.В., Кулакова А.П., Шеренков И.А. Оптимизация процессов очистки природных и сточных вод. – М.: Энергия,
1979. – 271 с.
3. Говорова Ж.М. Выбор и оптимизация водоочистных технологий: Монография. – Вологда-Москва: ВоГТУ, 2003. - 111 с.
4. Журба М.Г. Применение критериальных уравнений процесса осветления воды в зернистом слое для оптимизации
работы водоочистных фильтров // Химия и технология воды. – 1986. Т.8., №3.
5. Гордин И.В. Технологические системы водообработки: Динамическая оптимизация. – Л.: Химия, 1987. –264 с.
6. Кичигин В.И. Моделирование процессов очистки воды: Учебное пособие. - М: Изд-во АСВ, 2003.-230 с.
7. Шехтман Ю.М. Фильтрация малоконцентрированных суспензий. М., Изд-во АН СССР, 1961.
8. Журба М.Г., Мошко В.Г. Некоторые закономерности фильтрования воды через зернистую загрузку. М., Изд-во АН СССР,
1980.