Коагуляция является важным процессом для удаления взвешенных и коллоидных материалов из воды и сточных вод. Однако исчерпывающего или общепризнанного математического описания процесса до сих пор не разработано. Таким образом, оптимизация процесса и управление им обычно основаны на данных, полученных при испытаниях в сосудах, и простых концепциях дозирования, пропорциональных потоку, в то время как появляются более точные концепции, основанные на параметрах качества воды, которые можно измерить в режиме онлайн. Кроме того, предпринимались попытки разработать программные датчики и схемы управления, предполагающие расширенный математический анализ этих параметров. В статье представлен обзор параметров и физических датчиков, которые используются для схем управления с прямой и обратной связью, а также опыт, полученный при их реализации. Кроме того, описывается разработка и использование программных датчиков. Наконец, приведены практические применения различных методов контроля, чтобы проиллюстрировать современное состояние контроля коагуляции. Некоторые мысли о потребностях в исследованиях заключают этот обзор.

Актуальность процесса коагуляции

Удаление взвешенных и коллоидных материалов из воды и сточных вод требует применения неорганических или органических коагулянтов для дестабилизации и последующей флокуляции и разделения. Кроме того, химическое удаление фосфора за счет образования осадков алюминия или железа также зависит от их захвата хлопьями. Максимальное удаление частиц и фосфатов больше не является универсальной целью коагуляции. Контролируемое удаление фосфатов для оптимизации последующих биологических процессов и минимизация использования коагулянтов не только для уменьшения объемов ила, но и для повышения доступности фосфатов для установки являются примерами, которые требуют оптимизированного управления дозированием в режиме онлайн.

Во всем мире для этих целей используется несколько миллионов тонн в год солей металлов (коагулянтов на основе алюминия и железа), а мировой рынок коагулянтов и флокулянтов в 2013 г. оценивался примерно в 5,4 млрд долларов. Однако коагуляция уже не является исключительно предварительной стадией традиционного разделения твердой и жидкой фаз, т. е. седиментации, флотации и фильтрации, а также успешно сочетается с процессами мембранной фильтрации. Математическое описание процесса важно для понимания процесса коагуляции и его дальнейшей оптимизации и управления. Ряд ценных математических описаний, таких как теория ДЛФО, правило Шульце–Харди, уравнение Смолуховского и др., описывают явления на различных стадиях процесса коагуляции. Однако до сих пор не разработано всеобъемлющее или общепризнанное математическое описание процесса, учитывающее все соответствующие параметры и которое можно было бы использовать для оптимизации процесса и управления его работой.

Основным фактором является сложный характер электростатической и/или стерической стабилизации частиц в водных растворах, а также влияние равновесных условий и кинетики реакций гидролиза и осаждения при применении металлических коагулянтов. Если рассматривать нейтрализацию заряда и коагуляцию зачистки как два основных механизма дестабилизации, эффекты заряда играют лишь незначительную роль в последнем случае. Однако на многих водоочистных сооружениях преобладающим процессом можно считать нейтрализацию заряда, особенно если дозировка коагулянта была оптимизирована.

Между тем, на очистных сооружениях осаждение фосфатов часто является основной целью добавления коагулянтов. В обоих случаях существуют взаимосвязи между параметрами воды (например, концентрация и заряд частиц, концентрация фосфатов) и дозой коагулянта, которые необходимо исследовать и количественно определить. По этой причине баночный тест, разработанный почти 100 лет назад, до сих пор применяется для определения оптимальных условий коагуляции. Однако этот метод не подходит для управления непрерывным процессом в режиме реального времени, особенно когда качество сырой воды быстро меняется во времени и по амплитуде. Поэтому использование онлайн-датчиков стало довольно распространенным явлением для контроля качества сырой воды, а также подачи коагулянта и отделения хлопьев. В дополнение к использованию этих данных для простого управления дозировкой коагулянта с прямой или обратной связью предпринимались попытки разработать программные датчики и схемы управления, основанные на расширенном математическом анализе параметров, измеряемых в режиме онлайн. Ранний обзор мониторинга и контроля процессов коагуляции в 1970 году. Около 20 лет спустя обобщили новые результаты с упором на использование онлайн-сенсоров. Очередной обзор, с первым обзором применения программных средств для управления технологическими процессами

Параметры и физические датчики, связанные с коагуляцией

Следующие параметры сырой воды были определены как некоторые из наиболее важных для коагуляции: pH, температура, электропроводность, мутность, взвешенные твердые частицы, УФ-поглощение, цвет, TOC, щелочность, общее содержание фосфора, поверхностный заряд/дзета-потенциал и концентрация орто-P. Лишь недавно было предложено использовать флуоресцентные компоненты для оценки способности природных органических веществ коагулировать. Для большинства параметров доступны надежные онлайн-датчики, хотя некоторые из них все еще либо сложны и дороги при полномасштабном использовании, либо ограничены определенными условиями. Например, установка для титрования заряда, разработанная Бернхардтом и Шеллом, была разработана для контроля коагуляции пластовой воды в Германии, но никогда не применялась успешно другими странами.

Для мониторинга воды, подлежащей очистке вскоре после добавления коагулянта, основное внимание уделяется характеристике дестабилизированных частиц и образованию хлопьев. В связи с этим были разработаны методы подсчета и определения размера частиц, а также методы светорассеяния. Обзор их принципов был недавно дан Грегори. Однако для онлайн-контроля эти методы ограничены из-за динамического характера процесса агрегирования. Более того, определение электрокинетических параметров, а именно электрофоретической подвижности и тока потока, может помочь в оптимизации процесса коагуляции.

Из данных по электрофоретической подвижности можно получить дзета-потенциал, который широко используется в качестве индикатора успешной дестабилизации частиц. Поскольку в прошлом этот метод нельзя было применять онлайн, с годами стало популярным обнаружение потокового тока. Параметр потокового тока может быть связан с дзета-потенциалом, хотя, как указал Dentel, существуют некоторые ограничения его применения в качестве онлайн-датчика. Совсем недавно был разработан прибор, способный измерять дзета-потенциал коагулированной воды в режиме онлайн. При применении на станции очистки питьевой воды в Соединенном Королевстве было продемонстрировано, что дозу коагулянта можно уменьшить без ущерба для эффективности стадии коагуляции.

В готовой воде основными представляющими интерес параметрами являются: pH, остаточные значения мутности, взвешенные твердые частицы, УФ-поглощение, цвет, TOC, концентрация общего P и/или tho-P. Кроме того, применялся подсчет частиц и (в автономном режиме) измерение дзета-потенциала оставшихся частиц. В таблице 1 дан обзор онлайн-сенсоров и их применение для контроля процесса свертывания крови на практике. Оценка отражает опыт авторов, который может в некоторой степени отличаться от практики США и даже европейских стран.

Процесс образования хлопьев

Существует множество объектов, математически моделирующих процесс образования хлопьев. Подробный обзор более ранних исследований был сделан. Как уже развивались Вистром и Фаррелл, конечной целью является разработка процесса флокуляции на основе распределения измерений по размеру и динамической модели. В случае использования подхода к балансу населения, но модель может быть проверена только частично. Тот же подход был применен Schuetz и Piesche для прогнозирования распределения хлопьев по размеру в реакторе с мешалкой. Согласно их результатам, важно учитывать различные аспекты энергоподводов внутри реактора, т. е. предположение об идеально смешанном реакторе слишком упрощено для такого типа имитации. Ким и Крамер сравнивают различные методы моделирования и обнаруживают улучшенную модель, которая позволяет точно моделировать коагуляцию фрактальных агрегатов с расчетом времени. Теоретически должна быть возможна разработка предиктивного моделирования процесса флокуляции, который можно было бы использовать для управления процессом в режиме реального времени, но пока нет практических решений в этом отношении.

Прямое использование онлайн-параметров для контроля дозирования

В случае постоянного качества поступающей воды и определения оптимального количества коагулянта дозировка будет пропорциональна расходу воды. Таким образом, дозирование, пропорциональное потоку, должно применяться каждой очистной установкой как часть схемы управления с прямой связью. Это требование в значительной степени выполняется как при очистке питьевой воды, так и при очистке сточных вод.

Что касается влияния качества воды, Джексон и Томлинсон описали общие возможности прямого использования онлайн-параметров:

• Упреждающий контроль, основанный на качестве сырой воды;

• Контроль обратной связи на основе дозированного качества воды;

• Контроль с обратной связью на основе качества очищенной воды.