Недавние исследования, проведенные для определения потребностей в модернизации малых и сельских очистных сооружений поверхностной воды в Южной Африке, и последующий процесс разработки руководств по решению этих потребностей раскрыли ряд потенциальных областей исследований [Swartz 2000]. Одной из таких областей исследований является разработка простых, эффективных и надежных систем дозирования химических веществ для контроля дозировки химических веществ. Было обнаружено, что дозирование химических веществ, как для целей коагуляции, так и дезинфекции, является проблематичным.

На некоторых заводах даже нет дозирующих установок. На заводах, на которых они есть, установки либо неисправны, либо вообще не используются. В большинстве случаев сообщается, что они выведены из эксплуатации и ждут запасных частей. Кроме того, стратегические планы Южноафриканской комиссии по исследованию водных ресурсов по исследованию очистки воды в малых и сельских районах подчеркивают внедрение более простых технологий для решения таких проблем и поощрения большего участия сообщества.

В системах водоснабжения малых и сельских общин большинства развивающихся стран рекомендуются обычные системы дозирования химикатов из-за высоких требований к эксплуатации и обслуживанию (Schulz & Okun, 1984). Неэффективные и ненадежные системы дозирования коагулянтов в обычных схемах очистки воды производят легкие хлопья, которые переливаются на стадию фильтрации, что приводит к быстрому засорению песчаных фильтров, а следовательно, к увеличению расходов на эксплуатацию и обслуживание.

Большинство небольших, сельских и городских систем очистки воды в Южной Африке и многих других странах используют обычные методы очистки [химическая коагуляция/флокуляция в сочетании с быстрой песчаной фильтрацией (RSF) или медленной песчаной фильтрацией (SSF)]. Эксплуатация и обслуживание RSF сложнее, чем SSF, особенно при механизированной очистке фильтра. Более высокие скорости фильтрации (5-15 м3/ч) и более пористый фильтрующий материал (d10 = 0,50-1,00 мм) означают, что RSF не может фильтровать сырую воду без помощи коагуляции. SSF сам по себе является очень эффективным средством получения питьевой воды из-за более мелкого песка (d10 = 0,15-0,35 мм) и гораздо более низкой скорости фильтрации (0,10-0,30 м/ч) [Wegelin, 1996; Holfkes, 1988; Schulz & Okun, 1984]. Однако SSF подвержен быстрому засорению, если в него подается сырая вода с мутностью более 10-15 NTU [Wegelin 1996]. Поэтому неэффективные системы дозирования химикатов, используемые перед SSF, вероятно, вызовут быстрое засорение.

Грубая (или гравийная) фильтрация (RF) способна защитить SSF от воды с высокой мутностью без помощи коагуляции, [Mwiinga, 1998; Wegelin, 1996; Schulz & Okun, 1984]. Однако RF не очень эффективен при очистке сырой воды с высокой мутностью, в значительной степени характеризующейся коллоидными частицами. Предварительные результаты пилотного исследования, проведенного в Мозамбике, однако, показали, что дозы коагулянта могут улучшить производительность RF в этом отношении без риска быстрого засорения SSF (B van Wals, 1997). Сопутствующее надлежащее дозирование химикатов, особенно то, что системы RF-SSF рекомендуются для сельских и небольших установок, однако не рассматривалось.

Цели изучения систем дозирования

Целями проекта были: (1) разработать простую систему дозирования химикатов (SCDS), которая в конечном итоге должна найти практическое применение в малых и сельских системах водоснабжения, и оценить ее производительность при дозировании растворов коагулянта сульфата алюминия (ALUM) перед RF-SSF. (2) оценить производительность грубой фильтрации восходящим потоком в слоях (URFL), типа RF, при очистке химически предварительно очищенной сырой воды перед медленной песчаной фильтрацией. Также наблюдалась реакция SSF на очистку стоков URFL, обрабатывающих коагулированную сырую воду.

Первоначальные исследования основывались на обзоре литературы, из которого были получены предварительные принципы проектирования для SCDS и URFL-SSF. Дальнейшие дополнения к рассмотренным принципам проектирования были сделаны в результате инноваций и рассмотрения доступных материалов проектной группой.

Бак для раствора, снабженный герметичной крышкой, изготовлен из трубы u-PVC диаметром 400 мм и толщиной 8 мм. На конце конического дна установлен поворотный клапан 2,5 дюйма для обеспечения дренажа. В качестве запорного клапана (SOV) был установлен запорный клапан диаметром 16 мм, из которого было установлено около 8 м прозрачной и гибкой трубки для подачи химического раствора к входному водосливу URFL. Отверстие диаметром 2 мм было просверлено на расстоянии 5 см от одного конца прозрачной жесткой дозировочной трубы (HDP) из u-PVC длиной 110 см и диаметром 10 мм. Гибкая силиконовая дозировочная труба (FDP) длиной 95 см и диаметром 10 мм была соединена с HDP и SOV. Стальной винт на поплавке удерживает HDP.

Перед испытанием SCDS на установке была определена взаимосвязь между положением 2-миллиметрового отверстия относительно уровня раствора и потоком через отверстие. Была определена величина погружения поплавка (было установлено, что она составляет 2 см) для установления минимально допустимой глубины отверстия под уровнем раствора. Минимальное положение отверстия было установлено на 3 см ниже уровня раствора. Максимально допустимая глубина отверстия была установлена ​​на 20 см ниже уровня раствора. Затем были установлены различные положения отверстия с интервалом в 1 см, что дало 18 постоянных отметок градуировки на HDP для соответствия соответствующим глубинам и скоростям дозирования.

Поток через отверстие оценивался с помощью объемного измерения. Всего было проведено 69 измерений с использованием стакана и секундомера: 42 из них были на глубине отверстия 7 см и 27 на глубине отверстия 3 см. Критерии оценки для SCDS включали: проверку постоянства скоростей дозирования; загрязнение отверстия; прочность материалов, используемых для износа и утечек, и устойчивость к коррозии. Хотя постоянная дозировка поддерживалась в течение всего испытательного периода, легкость, с которой дозировки можно менять, является важным критерием оценки.

Пилотная установка URRL-SSF была спроектирована и построена для обработки имитированной мутной сырой воды. Каолиновая глина использовалась для моделирования уровней мутности, в значительной степени характеризующихся коллоидными частицами (наблюдаемыми визуально). Установка состояла из двух идентичных производственных линий: одна обрабатывала коагулированную [раствор ALUM (25 мг/л), дозированный с использованием разработанного SCDS] сырую воду, а другая линия работала без коагуляции.

Были проведены испытания в банке для определения дозировки ALUM 25 мг/л. Каждый блок URFL диаметром 315 см работал со скоростью 0,5 м/ч и имел три слоя основного гравия (общая высота 120 см; размер 1,18–19,1 мм), поддерживаемые слоем гравия толщиной 20 см (25–35 мм) и покрытые слоем надосадочного гравия толщиной 20 см (25–35 мм), который обеспечивал затенение верхнего слоя мелкого гравия для предотвращения роста водорослей. Каждый блок SSF диаметром 400 см работал со скоростью 0,25 м/ч и имел песчаный слой глубиной 80 см (de = 0,21 мм, UC = 3) с глубиной надосадочного слоя 80 см. Песчаный слой поддерживался слоем градуированного гравия толщиной 20 см. Основными контролируемыми параметрами были мутность входящего и исходящего потока.

Обзор литературы по системам дозирования химикатов

Коагуляция, регулирование pH и дезинфекция химикатов при очистке питьевой воды обычно дозируются в виде раствора. Системы дозирования варьируются от простых капельных систем до сложных электронных систем дозирования насосов, которые автоматически регулируют скорость дозирования в зависимости от расхода воды и качества сырой воды.

Простые системы включают те, которые перекачивают заранее определенные дозы непосредственно из резервуаров, и те, которые подают сухие или влажные формы химикатов под действием силы тяжести или объемных измерений [AWWA 1984; Schulz & Okun, 1984]. Хотя некоторые из систем с движущимися механическими частями считаются простыми, они не подходят для сельских и небольших предприятий во многих развивающихся странах [Schulz & Okun, 1984].

Простейшими системами дозирования растворов, которые обычно рекомендуются для сельских и небольших предприятий, являются те, которые дозируют под действием силы тяжести. Эти системы обычно не имеют движущихся механических частей и не требуют электрификации. Шульц и Окун 1984 рекомендуют следующие два типа для применения в сельской местности и на небольших заводах:

(a) Система дозирования с постоянным уровнем

Состоят из резервуара для исходного раствора, в котором химический раствор готовится и подается в небольшой резервуар, оснащенный дозирующим краном около дна и поплавковым клапаном на входе для поддержания постоянного уровня раствора и, следовательно, обеспечения постоянных дозировок. Резервуар для исходного раствора снабжен ручной мешалкой или миксером. Подробности калибровки дозирующего крана и потенциальные проблемы эксплуатации и обслуживания не сообщаются, и их необходимо определять на месте.

(b) Система поплавкового механизма

Состоит из резервуара для раствора, оборудованного поплавком, к которому прикреплена латунная труба с отверстием в фиксированном положении. Гибкий шланг соединен с латунной трубой и ведет к выпускной латунной трубе, оборудованной запорным клапаном около дна резервуара для раствора. Система не имеет никаких положений для смешивания.

Не дается никаких указаний по возможным проблемам эксплуатации и обслуживания, особенно из-за того, что поплавок и направляющая изготовлены из деревянных материалов, а резервуар для раствора изготовлен из бетона, подверженного химической коррозии. Размер отверстия и требования к калибровке не рекомендуются. Приготовление химического раствора происходит в том же блоке, где находится поплавок, что представляет риск повреждения поплавковой системы, особенно во время приготовления и смешивания раствора.

Разработанные простые системы дозирования химикатов (SCDS)

Разработанная простая система дозирования химикатов основана на типе поплавкового механизма, описанном в разделе 4.1(b). Этот тип представляет собой гораздо более простой и эффективный способ управления скоростями дозирования, что очень важно. Особенности усовершенствований, внесенных в разработанную SCDS, следующие:

(1) Бак для раствора и поплавок изготовлены из прочного материала u-PVC, который менее подвержен утечкам и химической коррозии по сравнению с древесиной и бетоном.

(2) Коническое дно, оснащенное дренажным клапаном, облегчает очистку и слив устройства.

(3) Имеет возможность добавления раствора самотеком из напорного бака, где раствор готовится отдельно.

(4) Бак для раствора оснащен пьезометром для контроля количества раствора.

(5) Устройство смешивания более удобно и установлено внутри бака для раствора, размещенного в перфорированном цилиндрическом контейнере, чтобы предотвратить запутывание гибкой линии дозирования в лопастях смесителя.

(6) Для каждого SCDS необходимо установить калибровочную кривую для отверстия с использованием соответствующего химического раствора, чтобы обеспечить легкую регулировку скоростей дозирования. На рисунке показан пример калибровки, полученной с использованием водопроводной воды.

(7) Механизм для прочного крепления поплавка к жесткой дозировочной трубке с помощью винта из нержавеющей стали более устойчив, чем использование резиновой заглушки. При использовании резиновой заглушки риск проскальзывания линии дозирования через поплавок высок.

Бак для раствора также оснащен прозрачными окнами с обеих сторон, которые используются для визуального осмотра линии дозирования, отверстия и поплавка. Прочный стальной стол, привинченный к земле, поддерживает весь блок. HDT, на котором установлено отверстие, изготовлен из прозрачного ПВХ, а гибкая трубка изготовлена ​​из силикона. Винт, используемый для крепления поплавка к HDT, изготовлен из нержавеющей стали.

За период испытаний и эксплуатации SCDS ни один из его местных материалов не подвергся коррозии, и не было никаких утечек. Долговечность и местная доступность материалов, безусловно, выгодны для удаленных применений, таких как сельские общины. Градуировочные отметки, которые были сделаны на HDT для указания каждой глубины и потока отверстия, оставались видимыми, несмотря на перемещение/скольжение трубки по направляющей трубке в крышке.

После расчета скорости дозирования химикатов соответствующая глубина отверстия считывается с калибровочной кривой. Затем поплавковый механизм устанавливается таким образом, чтобы он совпадал с отметкой на HDT, которая соответствует желаемому положению отметки и расхода. Винт на поплавке используется для надежного удержания поплавка на HDT. Использование винта обеспечивает более точную настройку потоков и устраняет риски скольжения HDT через поплавок, когда вместо этого используются резиновые пробки.

Шульц и Окун 1994 предлагают использовать резиновые пробки. Скорости потока через отверстие оказались достаточными для обеспечения эффекта самоочищения и предотвращения любого загрязнения отверстия. Осадки, которые собирались во время задержки раствора, накапливались в коническом дне CDS, который оснащен дренажным клапаном. Собранный шлам отправляется в слив. При долгосрочном практическом применении необходимо следить за тем, чтобы дренажная линия не была заблокирована шламом.

Для 42 измерений, выполненных с глубиной отверстия 7 см, скорости варьировались от 5,64 до 6,12 л/ч, а среднее значение составило 5,94 л/ч, а стандартное отклонение — 0,11. Эти результаты показывают, что SCDS может последовательно дозировать желаемую скорость в пределах приемлемых отклонений. Для других 27 измерений на глубине 3 см скорости варьировались от 2,7 до 4,56 л/ч, со средним значением 3,52 и стандартным отклонением 0,64. Эти результаты согласуются, хотя большое стандартное отклонение, с которым они сталкиваются, выявляет проблемы, связанные с измерением малых потоков и сопротивлением трения между HDT и его направляющей в крышке, когда уровень раствора падал.

Производственная линия 1, которая обрабатывала коагулированную воду, работала лучше, чем производственная линия 2, которая получала некоагулированную воду. Несмотря на широкий разброс мутности сырой воды и постоянную скорость дозирования, уровни мутности сточных вод URFL-1 были приемлемыми для SSF (10NTU). Впоследствии SSF-1 работал лучше, чем SSF-2 с точки зрения качества сточных вод и циклов фильтрации. SSF-1 работал около 2 месяцев, а SSF-2 около 3 недель перед очисткой. URFL очищались быстрым сливом каждые как минимум через две недели работы, хотя потеря напора и качество сточных вод тогда все еще были приемлемыми.

Это было сделано для изучения и испытания процесса и процедуры очистки. Также были опасения, что удерживаемые хлопья/взвешенные вещества на гравии могут затвердеть и вызвать трудности при промывке, если фильтры будут работать в течение более длительных периодов. Визуальное наблюдение за процессами очистки показало, что коагулированные хлопья легко вымываются. Некоторые из взвешенных твердых частиц в URFL-2 все еще оставались после очистки.

Это подтверждает необходимость удаления грубой фильтрующей среды каждые 3-5 лет для полной промывки/очистки [Wegelin 1996]. Легкость, с которой коагулированные хлопья вымываются, может означать, что этот 3-5-летний период полного цикла очистки может быть продлен. Таблица 2 суммирует среднесуточные измерения мутности за 5 дней, когда система URFL-SSF подвергалась воздействию внезапно высоких уровней мутности, характерных для практических дождливых сезонов.

Поскольку такое событие редко давало возможность оценить оптимальную дозировку химикатов, особенно на сельских заводах, скорость дозирования коагулянта из SCDS не менялась в результате увеличения мутности. Скорости фильтрации также сохранялись. Результаты в таблице 2 показывают, что коагуляция повышает способность грубой фильтрации выдерживать внезапные нагрузки высокой тургутности без увеличения дозировки химикатов. Wegelin 1996 рекомендует, чтобы мутность сырой воды выше 150 NTU требовала предварительной очистки на входе, но с помощью коагуляции это может быть необязательно. Тихо, ясно, грубая фильтрация может иметь проблемы с обработкой сырой воды выше 200 NTU в течение более длительных периодов без коагуляции или предварительной очистки на входе.

Выводы и рекомендации

Разработанная простая система дозирования химикатов показала много потенциального практического применения и могла бы устранить большинство проблем дозирования химикатов в небольших и сельских системах водоснабжения. Она обеспечивает очень надежную и устойчивую альтернативу в основном применяемым механическим и электрическим системам, которые, очевидно, проблематичны в небольших и сельских районах, особенно в развивающихся странах. Однако проблема доступности химикатов в большинстве развивающихся стран также должна быть решена, если необходимо извлечь выгоду из любого надежного оборудования.

Хорошо контролируемая и поддерживаемая коагуляция при очистке воды, без сомнения, способна улучшить процессы очистки воды. Но получение выгод от коагуляции без сопутствующих строгих требований к эксплуатации и обслуживанию, которые сопутствуют обычным высокотехнологичным системам дозирования химических веществ, является бонусом к усовершенствованному процессу очистки.

Сочетание дозирования химических веществ коагулянта с использованием простой системы дозирования химических веществ, разработанной с предварительной фильтрацией восходящим потоком в слоях перед системами медленной фильтрации через песок, обеспечивает гораздо более подходящую схему очистки воды для небольших и сельских систем водоснабжения, чем обычные схемы. Коагуляция перед грубой фильтрацией показала, что медленная фильтрация через песок потенциально может быть адекватно защищена от более высоких и изменяющихся уровней мутности без необходимости регулировки скорости дозирования.

Рыхлые хлопья, полученные в результате коагуляции, обеспечат легкую очистку и длительный срок службы гравийной среды грубой фильтрации. Хотя результаты этого исследования весьма позитивны, в настоящее время они находятся на предварительной стадии.

Рекомендуются дальнейшие исследования относительно полномасштабного применения SCDS, особенно с калибровкой отверстия в отношении различных концентраций химических растворов, использования реальной сырой воды и фильтрационных циклов URFL и SSF. Для каждой разработанной SCDS требуется собственная калибровка. Предполагается, что второй этап данного исследования будет посвящен изучению этих расследований.