2.4. Оборудование предочистки с осветлителями и его эксплуатация

Конструкция осветлителей. Осветлитель является аппаратом, в котором одновременно протекают химические реакции, связанные с вводом реагентов, а также физические процессы формирования образовавшихся осадков (шлама) в объеме воды осветлителя и фильтрования обрабатываемой воды через их слой. Контактная среда в осветлителе, называемая шламовым фильтром, формируется из ранее образовавшихся и вновь образующихся частиц шлама, находящихся во взвешенном состоянии за счет действия восходящего потока воды. Прошедшая через шламовый фильтр вода освобождается от грубодисперсных частиц, содержащихся в исходной воде и сформировавшихся в результате химических реакций в осветлителе. Поэтому их остаточная концентрация обычно находится в пределах 5 - 10 мг/дм³, если не нарушены химический и гидравлический режимы в осветлителе. При конструировании осветлителя учитывается, что гидравлические процессы в нем включают в себя следующие составляющие:

• поддержание во взвешенном состоянии твердых частиц, образующих контактную среду восходящим потоком воды;
• удаление избытка этих частиц из зоны контактной среды;
• режимы движения воды в контактной среде, а также во входной и выходной частях осветлителя.

Для реализации химических и гидродинамических режимов в процессах осаждения при обработке воды коагулянтами, гашеной известью, содой, магнезитом используются специальные аппараты - осветлители. Схема коагуляционной установки с осветлителем для коагуляции приведена на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Схема коагуляционной установки:
1 - исходная вода; 2 - греющий пар; 3 - конденсат; 4 - осветлитель; 5 - бак коагулированной воды; 6 - насос коагулированной воды; 7 - насос взрыхляющей промывки осветлительных фильтров; 8 - осветлительный фильтр; 9 - осветленная вода; 10 - ввод реагента (щелочь) для создания требуемого значения рН; 11 - сброс взрыхляющей воды; 12 - сброс первого фильтрата; 13 - бак сбора вод взрыхления; 14 - насос перекачки вод взрыхления в осветлитель; 15 - продувка (дренаж); 16 - бачок постоянного уровня; 17 - 19 - техническая вода; 20 - ячейка мокрого хранения коагулянта; 21 - насос раствора коагулянта; 22 - расходный бак (мерник) коагулянта; 23 - насос-дозатор коагулянта; 24 - воздушный колпак

В осветлителе происходит смешение воды и реагентов, образование шлама и отделение его от воды, т.е. осветление. Из осветлителя вода поступает в бак коагулированной воды (БКВ), а выделенный осадок - в бак шламовых вод, откуда перекачивается на шламоотвал или на установку обезвоживания шлама. Из БКВ насосы подают воду на осветлительные (механические) фильтры, где она окончательно освобождается от тех небольших количеств взвешенных веществ (5 - 10 мг/дм³), которые поступили из осветлителя в коагулированную воду. Из механических фильтров задержанная взвесь удаляется при очередной промывке обратным потоком воды. Промывочные воды собираются в специальный бак (БПВМФ) и равномерно в течение суток перекачиваются насосом в осветлитель. такое мероприятие помимо экономии воды, тепла и реагентов позволяет при маломутных исходных водах интенсифицировать хлопьеобразование вследствие благоприятного влияния взвеси, содержащейся в возвратных промывочных водах.

В настоящее время на различных водоподготовительных установках используются осветлители двух типов: осветлители разработанные ЦНИИ МПС, для реализации в них процессов коагуляции; осветлители, разработанные ВТИ, в которых осуществляется известкование или известкование с коагуляцией. В конструкциях осветлителей этих двух типов отсутствуют принципиальные различия, но скорости движения воды в различных зонах осветлителя выбраны разными. Это связано с характеристиками образующихся в осветлителях шлама: при коагуляции он более легкий, поэтому скорости подъемного движения воды должны быть более низкими, чем при известковании, так как скорость восходящего движения воды в осветлителе не должна превышать скорость осаждения частиц во избежание уноса их потоком воды из осветлителя. Осветлители для известкования типа ВТИ могут быть использованы для проведения в них коагуляции сернокислым алюминием, но с учетом вышесказанного расчета производительность таких осветлителей уменьшается до 0.7 от номинальной для известкования.

Схема осветлителя для коагуляции приведена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Схема осветлителя для коагуляции типа ЦНИИ–2:
1 - вход воды; 2 - воздухоотделитель; 3 - распределительные трубы; 4 - сопла; 5 - вертикальные перфорированные перегородки; 6 - шламоприемные окна; 7 - шламоуловитель; 8 - "стакан"; 9 - верхняя распределительная решетка; 10 - сборный кольцевой желоб; 11 - задвижка отсечки; 12 - трубопровод отсечки; 13 - распределительное устройство с успокоительной перегородкой; 14 - выход обработанной воды; 15 - ввод коагулянта; 16 - линия непрерывной продувки; 17 - линия периодической продувки; 18 - задвижка опорожнения осветлителя; 19 - дренажная задвижка; 20 - кран с сервоприводом; 21 - тарировачная воронка; 22 - пробоотборные точки

Рабочие чертежи нормального ряда осветлителей для известкования с коагуляцией были разработаны СКБ ВТИ по двум конструктивным схемам (рис. 2.10):

• осветлители производительностью 63, 100, 160 и 250 м³/ч;
• осветлители производительностью 400, 630 и 1000 м³/ч .

a)		б)
Рис. 2.10. Схемы осветлителей СКБ ВТИ для известкования: а - осветлители производительностью 63, 100, 160, 250 м3/ч; б - осветлители производительностью 400, 630, 1000 м3/ч 3D модель

Как видно из рис. 2.10, конструктивное отличие схем осветлителей ВТИ связано только со шламоприемными устройствами, расположенными непосредственно в корпусе шламоуплотнителя (рис. 2.10, а) или в шламоприемных трубах (рис. 2.10, б). Схема работы осветлителей следующая. Исходная вода 1, подогретая до заданной температуры, подается в воздухоотделительные воронки 2 воздухоотделителя 3, в котором освобождается от пузырьков воздуха. Из воздухоотделителя по опускной трубе через тангенциально направленный ввод с регулирующим устройством 9 исходная вода поступает в нижнюю часть аппарата 5 - смеситель воды и реагентов. При использовании промывочных вод осветлительных фильтров эта вода направляется в смеситель по трубопроводу 4. Известковое молоко 6, раствор коагулянта 7 и ПАА 8 поступают в смеситель по радиально направленным трубопроводам, расположенным на различных уровнях. Предусмотрен ввод коагулянта 7а в трубопровод исходной воды. Комплекс химических реакций завершается в зоне смешения, при выходе из которой начинается выделение продуктов взаимодействия в форме хлопьев, которые увеличиваются в объеме и задерживаются при восходящем движении воды. Приданное воде тангенциальным вводом вращательное движение гасится вертикальными перегородками 10 и горизонтальной перегородкой 11, имеющими отверстия диаметром 100 - 150 мм.

Верхняя граница взвешенного шлама, образующего в осветлителе контактную среду 12, находится на уровне шламоприемных окон 13 шламоуплотнителя 15. Избыток шлама непрерывно удаляется, для чего часть общего расхода воды отводится из контактной зоны в шламоуплотнитель ("отсечка").

После взвешенного шламового слоя вода проходит через зону осветления 16, верхнюю распределительную решетку 17 и сливается через отверстия в желоб 18. Далее она поступает в распределительное устройство 19, смешивается с осветленной водой, поступающей из шламоуплотнителя, и по трубопроводу 20 отводится в бак известкованной воды.

Шлам, поступивший с отсечкой, оседает в нижней части шламоуплотнителя и по трубопроводам 23 (непрерывная продувка) и 24 (периодическая продувка) удаляется из него через измерительную шайбу 25. Для опорожнения и заполнения шламоуплотнителя предусмотрен трубопровод 29. Осветленная в шламоуплотнителе вода собирается перфорированным коллектором 21 и отводится по трубопроводу 22 в распределительное устройство 19.

На отводящей трубе имеется дроссельная заслонка 28, обычно управляемая дистанционно, которая регулирует расход воды, поступающей через шламоуплотнитель. На этом же трубопроводе установлена задвижка 31, которая открыта при работе осветлителя и закрывается при промывке коллектора шламоуплотнителя водой, подаваемой по трубопроводу 30. По этому же трубопроводу подается вода для обмывки желоба 18 и решетки 17.

Для сбора крупного оседающего шлама и песка, поступающего с исходной водой, служит грязевик 26, из которого грубые частицы периодически удаляются по трубопроводу 27, он же используется для опорожнения осветлителя.

Основные параметры, характеризующие работу осветлителя в конкретных условиях (производительность, характеристики шлама, величина непрерывной продувки и частота периодических продувок шламоуплотнителя и грязевика, качество обработанной воды) уточняются при наладке осветлителей.

Характеристики осветлителей конструкции ВТИ приведены в табл. 2.6.

Суммарная производительность осветлителей, баков и насосов осветленной воды должна выбираться с запасом 10% расчетной производительности ВПУ. Работа осветлителей типа ВТИ для известкования в дополнение к требованию стабилизации температуры обрабатываемой воды в пределах +1ºC предусматривает выполнение следующих условий:

• ограничение содержания взвешенных веществ в исходной воде в паводок до 800 мг/дм³, в остальное время года до 200 мг/дм³ при общем количестве образующегося осадка до 1500 мг/дм³;
• поддержание массового отношения a_м, представляющего собой содержание в шламе соединений магния в пересчете на Mg(ОН)₂ к содержанию соединений кальция в пересчете на СаСО₃, в пределах 8 - 15% массовое количество в шламе Mg(ОН)₂ рассчитывается как 29 · (С_Mg^исх - С_Mg^изв), а СаСО₃ - как 50 · (2 · Щ_о^исх + С_СО2^исх), при подстановке соответствующих концентраций в эквивалентных единицах. Отсюда

,

(2.34)

где DС_Mg - количество осаждаемого иона Mg²⁺ составляет в мг-экв/дм³,

,

(2.34)

Соотношение (2.35) позволяет рассчитать Ж_Mg^изв, а по вычисленному значению Ж_о^изв определить значение Ж_Са^изв.

Пример 2.3. Используя данные и результаты расчета, приведенные в примере 2.2, и принимая значение a_м = 10%, получаем

Следовательно, с учетом того, что в исходной воде

Ж_Mg = Ж_о - Ж_Са = 3.8 - 3.0 = 0.8 мг-экв/дм³,

режим известкования необходимо вести с полным осаждением магния, при этом

Ж_Са^изв = Ж_о^изв = 1.8 мг-экв/дм³.

Оборудование для складирования, приготовления растворов и дозирования реагентов, используемых в процессе предочистки. В соответствии с нормами технологического проектирования при доставке извести и коагулянта железнодорожным транспортом склады реагентов должны обеспечивать прием не менее одного вагона массой 60 т или цистерны при наличии на складе к моменту разгрузки пятнадцати суточного запаса соответствующего реагента с учетом обеспечения общего запаса не менее чем на один месяц. При использовании извести для нейтрализации кислых сточных вод на водоочистках без известкования предусматривается склад извести с запасом на 15 суток. Для извести и коагулянта реализуется, как правило, их мокрое хранение в железобетонных ячейках. Флокулянт - обычно полиакриламид (ПАА) - доставляют в полиэтиленовых мешках, уложенных в ящики, барабаны, в которых флокулянт хранят. Склады реагентов оборудуются устройствами для выгрузки реагентов из вагонов, транспортировки реагентов внутри склада и приготовления растворов и суспензий с очисткой их от посторонних примесей. Указанные операции механизируются с использованием мостовых кранов с грейферными ковшами и талями, электрических и ручных талей, транспортеров и т.п. Склад реагентов изолируется от фильтровального зала. В нем должна поддерживаться температура не ниже +10ºC. Дозирование растворов и суспензий реагентов на предочистке осуществляется с помощью двух насосов-дозаторов (рабочий и резервный), для пропорциональной подачи каждого реагента в каждую точку ввода, т.е. на каждый осветлитель устанавливаются, как минимум, два насоса-дозатора для каждого реагента. Расходные емкости растворов и суспензий реагентов предусматриваются в количестве не менее двух для каждого реагента, из них каждая емкость рассчитывается на 12 - 24-х часовой ход реагента.

Коагулянтное хозяйство. В состав коагулянтного хозяйства ВПУ входят:

а) склад мокрого хранения коагулянта, располагаемый в заглубленных железобетонных резервуарах (ячейках);

б) перекачивающие и дозировочные насосы раствора коагулянта;

с) оборудование для осветления раствора;

д) расходные баки коагулянта.

Схема склада мокрого хранения и дозирования раствора коагулянта приведена на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Схема склада мокрого хранения коагулянта:
1 - железобетонные ячейки мокрого хранения коагулянта; 2 - насос раствора коагулянта; 3 - фильтр раствора коагулянта; 4 - водоводяной эжектор для удаления грязи из ячеек; 5 - гибкий плавающий шланг для забора отстоявшегося крепкого раствора коагулянта; 6 - деревянный щит; 7 - перфорированный трубопровод для барботажа воздуха; 8 - подвод сжатого воздуха; 9 - подвод пара; 10 - подвод осветленной воды; 11 - крепкий раствор коагулянта; 12 - расходный бак рабочего раствора коагулянта; 13 - насосы-дозаторы раствора коагулянта; 14 - к осветлителю

Количество железобетонных резервуаров для мокрого хранения реагентов должно быть не менее двух, которые попеременно могут находиться в работе, загружаться реагентом или очищаться от грязи. Для защиты от действия кислого реагента все железобетонные ячейки коагулянта внутри оклеены резиной и по резине футерованы кислотоупорным кирпичом. Приготовления раствора в ячейках осуществляется путем заполнения их водой, перемешивания для получения концентрированного раствора (1000 - 1300 мг-экв/дм³), отстаивания и откачки раствора насосом в расходные баки коагулянта. При приготовлении рабочего раствора в расходном баке коагулянта в него закачивается со склада определенный объем крепкого раствора и подается разбавляющая вода, далее раствор коагулянта перемешивается сжатым воздухом, проверяется концентрация приготовленного рабочего раствора и бак с готовым раствором коагулянта включается в работу.

Оборудование известкового хозяйства и его обслуживание. Известковое хозяйство химического цеха (рис. 2.12) предназначено для хранения негашеной извести, приготовления и дозирования известкового молока в осветлители. Его обслуживание осуществляют крановщик мостового крана, аппаратчик ВПУ. Помещение известкового хозяйства относится к запыленным, поэтому должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией. Доставка сухой негашеной извести осуществляется обычно вагонами-хопрами 1. Из каждого поступившего вагона производится отбор проб извести для определения ее качества. Разгрузка извести производится в железобетонную ячейку 2, заглубленную до отметки минус 3 м. Объем ячейки для хранения сухой извести должен быть выбран с учетом неснижаемого запаса извести для бесперебойной работы ВПУ в течение 15-ти суток. При пуске в работу оборудования известкового хозяйства вначале заполняются водой на 1/3 объема железобетонные металлизированные ячейки гашеной извести 3, затем в них грейфером 4 мостового крана 5 подается расчетной количество сухой извести (3 - 5 грейферов в зависимости от объема ячейки гашения и качества поступившей извести). Ячейка дозаполняется водой по трубопроводу 9 так, чтобы вся загруженная известь была закрыта водой. Далее проводится перемешивание гасимой извести в ячейке сжатым воздухом 10. После этого выдерживается время от 3 до 24 ч, необходимое для полного гашения извести, и проверяется концентрация известкового молока в ячейке гашения. Рабочая концентрация известкового молока в зависимости от качества исходной воды должна составлять 900 - 1300 мг-экв/дм³ (2.5 - 3.5%). Приготовленное известковое молоко перекачивается насосами 6 в циркуляционные мешалки 7 через гидроциклон 8 для удаления недопала и песка. Расходные мешалки известкового молока комплектуются насосами циркуляции известкового молока 11 и насосами-дозаторами 12. Очистка ячеек гашения от отходов - песка и недопала - производится грейфером, перемещающим отходы в ячейку отходов 13, откуда они при накоплении вывозятся самосвалами.

Рис. 2.12. Схема склада извести

На ряде действующих ВПУ гашение извести производится с помощью аппаратов МИК, установленных на ячейках известкового молока.

Насосы-дозаторы реагентов. Одним из основных элементов, используемых при эксплуатации осветлителей, является насос-дозатор реагентов. Насос-дозатор серии НД представляет собой электронасосный одноплунжерный агрегат, предназначенный для объемного напорного дозирования нейтральных и агрессивных жидкостей, эмульсий и суспензий с характеристиками, приведенными в условном обозначении насоса. Условно обозначения агрегата содержит: НД - тип агрегата с регулированием подачи вручную при оставленном агрегате; 2.5 - категория точности дозирования; параметры номинального режима агрегата, записанные в виде дроби, в числителе которой - подача, дм³/ч , а в знаменателе - предельное давление, кгс/см² (например, 2500/10); К или Д - материал основных деталей проточной части: К - сталь 12Х18Н9Т, Д - сталь 20Х13; 1 - без рубашки обогрева или охлаждения; 4 - с подводом охлаждающей, промывочной или затворной жидкости к уплотнительному узлу проточной части; А (В) - степень взрывозащищенности электрооборудования: А - с электродвигателем в общепромышленном исполнении или В - с электродвигателем во взрывозащищенном исполнении (см. пример, приведенный ниже). Пример условного обозначения электронасосного одноплунжерного агрегата с регулированием подачи вручную при остановленном агрегате, категории точности дозирования 2.5% с подачей 2500 дм³/ч и предельном давлении 1МПа, с проточной частью из стали 12Х18Н9Т, без рубашки обогрева или охлаждения, с подводом охлаждающей жидкости к уплотнительному узлу, с электродвигателем в общепромышленном исполнении: НД 2.5 2500/10 К 14 А. Насосы серии НД позволяют регулировать расход дозируемой жидкости (подачи) вручную при остановленном электродвигателе изменением длины хода плунжера (рис. 2.13). техническая характеристика насосов-дозаторов приведена в табл. 2.7.

Рис. 2.13. Схема насоса-дозатора:
1 - электродвигатель; 2 - редуктор; 3 - гидроцилиндр; 4 - указатель длинны хода плунжера; 5 - гайка; 6 - регулировочное кольцо; 7 - хвостовик вала; 8 - вход раствора; 9 - выход раствора

На водоподготовительных установках обычно используют насосы-дозаторы, обеспечивающие давление 10 - 16 кгс/см². В конструкции насосов-дозаторов отсутствует предохранительный клапан, его роль исполняет контактный манометр, дающий импульс на отключение электродвигателя при превышении заданного давления. требуемая подача насоса-дозатора, дм³/ч , рассчитывается по уравнению

где Q_B - максимальная подача исходной воды в осветлитель, м³/ч ; Д - максимальная доза реагента; С - крепость (концентрация) суспензии или раствора реагента. Значения Д и С должны быть даны в одинаковых единицах концентрации. Рекомендуемые значения С для реагентов, применяемых на предочистке, указаны в табл. 2.8.

Для обеспечения надежной работы насосов-дозаторов и требуемой точности дозирования необходимо соблюдать бесперебойность подачи, обеспечивать постоянство концентрации дозируемых жидкостей и проводить регулярную промывку насосов-дозаторов осветленной водой в течение 5 - 7 мин.

Насосы-дозаторы серии НДЭ характеризуются автоматическим регулированием подачи, остальные обозначения аналогичны указанным для насосов серии НД. Автоматическое управление дозированием реагентов в осветлитель осуществляется насосами-дозаторами с различными системами управления ими по расходу обрабатываемой воды в пределах нагрузки осветлителей от 50 до 100%. Для повышения точности в схему дозирования извести по расходу обрабатываемой воды вводится корректирующий сигнал рН.

При сезонных изменениях качества поверхностной воды (табл. 2.9) регулировка дозы реагентов, подаваемых в осветлитель, помимо изменения хода плунжера насоса-дозатора может реализоваться изменением концентрации дозируемого реагента в расходных баках (мешалках). Сочетание трех возможных видов регулирования дозы реагентов одновременно позволяет изменять ее в очень широких пределах.

Эксплуатация установок с осветлителями. При эксплуатации осветлителей осуществляется два вида контроля: технологический и химический, проводимые по заданному графику. Их результаты сравниваются с данными режимных карт и при отклонении контролируемых показателей от рекомендуемых величин оперативный персонал должен восстановить оптимальный режим работы осветлителей.

Для контроля дозирования реагентов, контроля качества и количества шлама в различных элементах и зонах осветлителя, контроля качества осветленной воды на выходе шламоуплотнителя и осветлителя последние оборудуются пробоотборными точками, место расположения которых показано на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Схема расположения пробоотборных точек на осветлителе:
1 - 10 - номера точек

Пробоотборная точка 1 предназначена для отбора пробы из грязевика; 2 - из зоны реакции; 3 - из трубопровода отсечки; 4 - из середины конической части осветлителя; 5 - из шламоуплотнителя, нижняя; 6 - из цилиндрической части осветлителя, нижняя; 7 - из шламоуплотнителя, верхняя; 8 - из корпуса осветлителя на уровне шламоприемных окон; 9 - из зоны осветления; 10 - из трубопровода осветленной воды. При работе осветлителя каждые 2 ч отбираются пробы из всех пробоотборных точек для визуального контроля за качеством шлама и химического контроля процесса и качества осветленной воды.

На установках с осветлителями оперативный технологический контроль предусматривает:

• приготовление рабочих растворов известкового молока, коагулянта, ПАА и при необходимости щелочи;
• поддержание постоянной температуры обрабатываемой воды 30 - 40°С с колебаниями не более +1°С;
• поддержание режима возможного изменения нагрузки. Резкое увеличение расхода воды приводит к выносу шлама. При увеличении нагрузки расход воды следует увеличивать плавно, без скачков более чем на 10% в течение 10 - 15 мин. Снижение нагрузки допускается производить быстро;
• поддержание нормального уровня в баках осветленной воды;
• строгое поддержание установленных дозировок вводимых в осветлитель реагентов;
• поддержание продувочного режима производится с помощью непрерывной и периодической продувки и изменением "отсечки" воды на шламоуплотнитель;
• поддержание верхней границы шламового фильтра на уровне шламоприемных окон;
• поддержание требуемой характеристики шлама. Шлам должен обладать творожистой структурой и быть однородным с оседанием всей массы одновременно при контроле его качества в пробе;
• при визуальном контроле за качеством шлама отбор проб воды со шламом в цилиндр диаметром 40 - 60 мм высотой 250 - 350 мм. После определенного времени отстоя замеряется высота столба шлама;
• регулирование высоты шламового фильтра производится автоматически с применением сигнализатора уровня шлама СУШ или вручную изменением "отсечки" на шламоуплотнитель и его непрерывной продувкой.

При превышении границ шламового фильтра увеличивается непрерывная продувка, "отсечка" при этом открыта полностью. При снижении верхней границы шламового фильтра непрерывная продувка уменьшается, "отсечка" восстанавливается. Изменение непрерывной продувки производится плавно: не более чем на 10% за 10 - 15 мин. При нагрузке осветлителя ниже номинальной уровень шламового фильтра может опуститься ниже уровня шламоприемных окон, что определяется по отсутствию шлама в воде соответствующей пробоотборной точки. В этом случая полностью закрывается непрерывная продувка до появления шлама на уровне шламоприемных окон.

Объем химического контроля зависит от типа осветлителя, периодичность контроля по различным показателям качества воды (Ж_о, Щ_о, Щ_ФФ, ОК, С_ГДП и др.) колеблется от 2 до 24 ч. Все записи анализов и наблюдений за работой осветлителей заносятся в "Суточную ведомость работы осветлителей". На основании результатов химического анализа проб устанавливается и корректируется оптимальный режим работы осветлителей.