Успешная стратегия упреждающего контроля требует установления функциональной взаимосвязи между измеряемыми параметрами сырой воды и оптимальной дозой коагулянта для каждого объекта. Для этой цели должны быть доступны данные испытаний ясов, опытно-промышленных испытаний или эксплуатации в техническом масштабе, которые охватывают все изменения параметров, которые могут произойти в течение по крайней мере нескольких месяцев, а предпочтительно в течение всего года. Визуализируется принцип упреждающего управления.

Ранним примером этой стратегии является очистка непосредственно забираемой речной воды сульфатом железа на водопроводной станции. Оценка исторических данных за четыре года с помощью множественной регрессии привела к уравнению с девятью эмпирическими константами: где мутность, электропроводность и температура сырой воды представлены соответственно. Концепция была успешно реализована на гидроузле. Однако на двух других участках этот подход не сработал, т. е. аналогичную корреляцию установить не удалось.

Для сырой воды на водопроводных станциях вывел простое эмпирическое уравнение. В этом случае требуемая доза сульфата алюминия (ALS) в первую очередь зависела от концентрации NOM, измеренной с помощью поглощения УФ-излучения: где A — поглощение УФ-излучения при 254 нм, выраженное в м-1. Этот подход был применен водопроводными станциями для контроля дозирования. Однако для его успешной реализации требуется, чтобы рН коагуляции был примерно постоянным и чтобы свойства NOM существенно не менялись.

Для сходных типов поверхностных вод другая эмпирическая корреляция была предложена, которые учитывали рН, начальную концентрацию ПОВ (NOMi) и остаточную концентрацию ПОВ (NOMr): между пятью исследованными типами воды, что указывает на то, что природа NOM играет важную роль в отношении потребности в коагулянте. Полученные стехиометрические отношения Al:TOC варьировались от 0,2 до 1 мг/мг. Уравнение не применялось в схеме контроля дозирования. Концепция удельного поглощения ультрафиолетового излучения (SUVA), предложенная и развитая, предназначалась для простой характеристики свойств NOM в отношении коагуляции.

Значения SUVA рассчитываются по поглощению УФ-излучения при 254 нм, деленному на концентрацию растворенного органического углерода (DOC) в NOM. Если сырая вода имеет среднее значение SUVA 2–2,5 и выше, дозировка коагулянта регулируется NOM, а не мутностью. В тематическом исследовании пяти различных гидротехнических сооружений недавно была продемонстрирована применимость этой концепции. Для двух типов сырой воды было получено следующее простое уравнение между требуемой дозой Al и поглощением УФ: где A — поглощение УФ излучения при 254 нм, выраженное в см-1. Эмпирические параметры C1 и C2 были разными для двух типов сырой воды, что указывает на специфическое влияние характеристик NOM на конкретном участке. При этом стехиометрические отношения Al:TOC находились в пределах от 0,6 до 0,65 мг/мг для обоих участков. Это хорошо согласуется с результатами, которые оценили данные нескольких сотен гидротехнических сооружений, применив коагуляцию квасцами, и получили среднее и медианное стехиометрические отношения Al:TOC, равные 0,6 и 0,7 мг/мг, соответственно.

Основываясь на оценке данных испытаний в сосудах для 21 источника сырой воды, коагулированного солями трехвалентного железа, и 39 источников сырой воды, коагулированного квасцами, разработал эмпирическую модель коагуляции NOM, в которой предполагается, что окончательный DOC состоит из двух фракций: — адсорбируемый РОУ (ДОУна, не удаляемый коагуляцией) и адсорбируемый РОУ, остающийся в воде после коагуляции. Неадсорбируемый DOC связан с входящим DOCi и его значением SUVAi: Доля DOCa,f зависит от pH, DOCi, DOCna и дозировки. Всего было определено шесть параметров для солей трехвалентного железа и квасцов соответственно с помощью регрессионного анализа.

Основная цель подхода заключалась в оценке удаления NOM с точки зрения DOC и разработке более детальных испытаний в сосудах на конкретном участке. Эти результаты показывают, что управление дозированием с упреждением может быть основано на онлайн-измерениях поглощения УФ-излучения или TOC в сырой воде, где NOM определяет потребность в коагулянте. Ряд поставщиков предлагают спектрофотометры, которые либо измеряют УФ-поглощение на одной длине волны, либо сканируют диапазон УФ-видимого спектра. Некоторые приборы также оснащены методами компенсации мутности. Однако в каждом случае требуется систематическая адаптация и калибровка с учетом местных условий.

Более полное эмпирическое описание было разработано Van Leeuwen et al, которые оценили данные испытаний в сосудах и экспериментальных исследований с использованием поверхностных вод из различных источников. Они установили корреляции между параметрами сырой воды (УФ-поглощение, цвет, DOC), эффективностью удаления и требованиями к дозировке двух разных коагулянтов. Кроме того, можно было предсказать изменения рН из-за реакций гидролиза. Программное обеспечение использовалось водопроводными станциями Австралии для корректировки доз коагулянта с 2004 года. протокол испытания банки.

Базовая концепция подхода была недавно применена и получила дальнейшее развитие на основе данных для 13 типов сырой воды. Помимо более подробного описания изменений pH для четырех коагулянтов, также была предпринята попытка охарактеризовать свойства NOM с помощью методов физического и химического фракционирования. Однако до сих пор не осуществлен перевод в практическую эксплуатацию гидротехнических сооружений.

Утверждалось, что корреляция применяется в настоящее время на заводе в целях контроля дозирования, но дополнительных данных предоставлено не было. Новый подход к прямому управлению дозированием для удаления растворенных органических веществ основан на флуоресцентной спектроскопии. Здесь органические вещества характеризуются матрицами возбуждения-испускания, которые анализируются многофакторными методами, в частности параллельным факторным анализом (PARAFAC). Оценивая данные полномасштабной установки по очистке питьевой воды, продемонстрировали, что этот подход подходит для оценки эффективности двух коагулянтов. Шутова и др. идентифицировали ряд флуоресцентных параметров, полезных для характеристики свойств органических веществ в отношении обрабатываемости. Они получили следующую эмпирическую корреляцию между удалением DOC и тремя компонентами PARA FAC и их соотношениями C1, C2 и C4 соответственно.

Согласно их анализу, флуоресцентная спектроскопия может быть более надежным методом мониторинга органических веществ, чем использование УФ-поглощения или значения SUVA. Текущие исследования покажут, можно ли в будущем применять этот подход для онлайн-контроля дозирования. Для очистных сооружений сточных вод доступны устройства, которые измеряют концентрации орто-P в режиме реального времени для управления дозированием с прямой связью. Они обычно эмпирически адаптируются к местным условиям.

Контроль обратной связи, основанный на качестве дозированной воды

Существуют две различные возможности для характеристики качества дозированной воды: прямые методы фокусируются на свойствах дестабилизированных частиц и свежеобразованных хлопьев; косвенные методы пытаются оценить влияние коагуляции на последующие процессы разделения (осаждение, фильтрацию). Показан принцип использования непосредственно измеряемых параметров для управления с обратной связью.

Среди прямых методов наиболее распространено применение потокового детектирования тока (ППТ). Критическим моментом при мониторинге потокового тока является то, что сигнал меняется в зависимости от pH, а быстрые колебания потока или плохое смешивание химических веществ могут привести к нестабильным сигналам. В исследовании пилотной установки Adgar et al. разработали продвинутую стратегию управления, которая эмпирически учитывает взаимосвязь между текущим током и рН. Из полученных данных они пришли к выводу, что эта стратегия оказалась менее восприимчивой к возмущениям. Сравнили эффективность SCD и применения упреждающего контроля (в основном на основе УФ-поглощения и мутности) при полномасштабной очистке сырой воды. Они обнаружили, что может потребоваться регулярная регулировка оптимальной уставки SCD, в некоторых случаях даже ежедневно, в зависимости от состояния сырой воды. Кроме того, SCD может быть ограничен, когда мутность сырой воды быстро меняется или когда концентрация NOM увеличивается. Напротив, схема управления с прямой связью, разработанная для гидротехнических сооружений, которая не работала автоматически, но давала рекомендации обслуживающему персоналу в режиме реального времени, подходила для прогнозирования надлежащих дозировок для всех условий сырой воды.

Были определены оптимальные дозировки коагулянта для обработки речной воды методами предварительной коагуляции и микрофильтрации, которые определялись максимальной эффективностью удаления и минимальным падением потока на мембранной стадии. Они пришли к выводу, что в процессе коагуляции доминирует нейтрализация заряда, и что одновременно отслеживаемый сигнал потокового тока можно использовать для определения того, была ли применена оптимальная доза. Объединили процедуру быстрого титрования для мутных вод с измерениями SCD.

Результаты были удовлетворительными при использовании хлорида полиалюминия (ПАХ), но не были окончательными при использовании смеси ПАУ и катионного полимера (поли-ДАДМАХ). Авторы утверждали, что их методика может быть использована для замены баночного тестирования для определения оптимальной дозы коагулянта; однако дальнейшая разработка онлайн-инструмента не обсуждалась. Применение SCD для контроля дозирования полимера с обратной связью для кондиционирования алюминиевого шлама на водопроводной станции в Корее было исследовано. В экспериментальном исследовании они показали, что существует линейная зависимость между показаниями SCD и измерениями дзета-потенциала после введения дозы, где нулевые точки не совпадают, и что SCD можно успешно использовать для онлайн-контроля дозирования. Детекторы потокового тока доступны от ряда поставщиков. Следует отметить, что до сих пор не разработано стандартных процедур калибровки. В каждом случае необходимо определить правильную уставку прибора, которую следует часто сравнивать с результатами испытаний в сосуде или с производительностью установки.

Онлайн-датчики, ориентированные на размер и форму агрегатов

Онлайн-датчики, ориентированные на размер и форму агрегатов, образующихся на стадии флокуляции, в основном применяются в исследованиях; они пока не практикуются. Коммерчески доступным прибором является фотометрический анализатор дисперсии (PDA), который измеряет мутность и колебания мутности после добавления коагулянта с помощью оптоволоконного монитора. Принцип, разработанный Грегори и Нельсоном, основан на определении индекса флокуляции, полученного из среднего значения мутности и его колебаний, которые указывают на оптимальные условия коагуляции. Применимость была доказана в нескольких исследованиях в сосудах, например, для сравнения различных коагулянтов, для оптимизации новых коагулянтов и для оценки влияния турбулентной неоднородности во время флокуляции.

Как показал анализатор PDA также подходит для корректировки дозирования в зависимости от мутности притока в диапазоне от 20 до 2000 NTU. Тем не менее, похоже, что пока нет технического применения прибора для контроля дозирования в режиме онлайн. Несколько похожий подход был описан, которые оценили данные о мутности, измеренные непрерывно на глубине 3 см ниже поверхности воды во время стадии медленного перемешивания в тестах в сосуде. Они обнаружили линейную зависимость между квадратным корнем из среднего диаметра хлопьев и стандартным отклонением измеренных колебаний мутности.

Методика, называемая системой мониторинга нефелометрического мутномера (NTMS), предназначена для определения оптимальных рабочих параметров коагуляции/флокуляции. Недавно это было продемонстрировано на полномасштабной установке по очистке питьевой воды, но комбинация с системой онлайн-управления еще не разработана. Сангу и др. описали метод автоматического контроля дозировки коагулянта, основанный на измерении остаточных концентраций алюминия на стадии быстрого перемешивания. Метод должен быть особенно применим для быстрых изменений мутности сырой воды. Однако можно задаться вопросом, не является ли в этом случае рН коагуляции определяющим параметром, который косвенно измеряется через остаточный алюминий в условиях смешения хлопьев. С некоторыми ограничениями для определения характеристик хлопьев можно использовать анализ размера частиц.

Определенный потенциал продемонстрировали приборы для рассеяния света под малыми углами; однако для хлопьев с низкой плотностью эффективный размер может быть недооценен. Тем не менее, было несколько применений анализаторов размера частиц, которые способствовали лучшему пониманию кинетики процессов флокуляции. Из измеренных данных можно получить не только средние диаметры хлопьев, но и их фрактальные размерности.

Используя фотографические методы высокого разрешения, можно анализировать изображения хлопьев на месте. Исследовал влияние температуры и дозировки на рост и размер хлопьев в фазе смешивания в экспериментах по тестированию кувшина. Определили размер и фрактальную размерность агрегатов в период отстаивания в периодических испытаниях и показали влияние дозировки на эти параметры.

Опубликовали данные, полученные при анализе изображения хлопьев с помощью мокрой сканирующей электронной микроскопии. Их результаты подтвердили явное влияние дозировки на размер хлопьев.

Исследовали влияние двух коагулянтов при различных условиях смешивания на фрактальные размерности хлопьев, образующихся в результате поточного коагулирования NOM перед микрофильтрацией. Они пришли к выводу, что эти параметры хлопьев могут быть полезны для выявления загрязнения мембраны. Еще одним свойством хлопьев, тесно связанным с их структурой, является прочность, т. е. устойчивость к внешним воздействиям. Как подробно описано, существует несколько общепризнанных методов определения прочности хлопьев. Однако из-за стоимости оборудования и квалифицированной рабочей силы, необходимой для его эксплуатации, применение этих передовых методов определения характеристик хлопьев для управления дозированием в режиме реального времени будет затруднено. Существует только одно доступное сенсорное устройство, которое определяет состояние коагулированных хлопьев с помощью лазерного рассеяния света в режиме реального времени, где выходной сигнал используется для контроля дозирования.

Сообщалось о другой концепции, использующей онлайн-методы для анализа изображений, хотя успех такого метода будет сильно зависеть от наличия надежных и надежных инструментов. В последние годы возрос интерес к косвенным методам оптимизации коагуляции и флокуляции, которые связаны со стадией отделения хлопьев.

Разработали флокуляционный анализатор остаточной мутности (FReTA), который отслеживает мутность суспензий хлопьев, подвергающихся стационарному отстаиванию, и регистрирует остаточную мутность. Из данных можно определить распределение скорости седиментации, характеризующееся средним значением и дисперсией. Теоретически этот метод можно использовать для управления с обратной связью, но до сих пор он не применялся для этой цели.

Изучали комбинацию коагуляции в потоке и ультрафильтрации с сырой водой из голландской реки в пилотном масштабе. Они обнаружили корреляцию между дозировкой коагулянта и начальным сопротивлением последней тупиковой фильтрации перед фазой химической очистки, которую можно было использовать для контроля обратной связи. Этот подход недавно был применен в техническом масштабе, что привело к экономии до 75% коагулянта. Как сообщили об успешном полномасштабном применении контроля дозирования коагулянта с обратной связью для установок питьевой воды, в основном на основе качества сырой воды, но также с добавлением pH после дозирования. Сообщили об успешном применении той же концепции с коагулированным рН после дозирования при очистке сточных вод.