Стандарты качества питьевой воды (GB 5749-2022) ввели 4 новых показателя и пересмотрели ограничения по 8 существующим, предъявляя более строгие требования к муниципальным водоочистным сооружениям. Несмотря на широкое применение мокрого дозирования порошкообразного активированного угля (PAC), в данном исследовании в качестве примера рассматривается проект технического перевооружения насосной станции по производству сырой воды на водопроводной станции Хэфэй №6, в рамках которого была внедрена усовершенствованная технология сухого дозирования PAC, адаптированная к конкретным условиям и характеристикам предприятия. краткое обсуждение различий между системами дозирования PAC во влажном и сухом состоянии и их конструкций. Основанная на простых устройствах, система дозирования сухого раствора PAC обеспечивает быстрое реагирование, минимальное землепользование, меньшие инвестиции и удобное плановое техническое обслуживание. На практике дозирование сухого раствора PAC доказало свою эффективность в устранении запаха сырой воды.

1 апреля 2023 года официально вступили в силу Стандарты качества питьевой воды (GB 5749-2022). Он направлен на сокращение разрыва в стандартах качества питьевой воды между городскими и сельскими районами, ускорение модернизации объектов водоснабжения для содействия созданию высококачественных систем водоснабжения и улучшения мониторинга качества воды и возможностей реагирования на чрезвычайные ситуации для обеспечения безопасности водоснабжения в городах и сельской местности. Этот документ устанавливает требования к качеству питьевой воды и ее источников, гигиенические требования к установкам централизованного водоснабжения, вторичному водоснабжению и продуктам, связанным с безопасностью питьевой воды, а также методы тестирования качества воды. Он служит важнейшим руководством по санитарному контролю за питьевой водой и важнейшей основой для надзора и мониторинга за питьевой водой[1].

По сравнению со старой версией Стандартов качества питьевой воды (GB 5749-2006), обновленная версия (GB 5749-2022) добавляет 4 показателя (геосмин, 2-метилизоборнеол, перхлорат и ацетохлор) и пересматривает предельные значения 8 показателей (нитрат (как N), мутность, перманганатный индекс (как O2))., свободный хлор, бор, винилхлорид, трихлорэтилен, диметоат). В новой версии больше внимания уделяется сенсорным показателям, дезинфекции продуктов и изменениям риска, а также повышаются пределы некоторых показателей. Это еще больше усиливает контроль за всем процессом подачи воды от источника до крана, выдвигает более высокие требования к мониторингу побочных продуктов обеззараживания и внедряет больше методов тестирования таких побочных продуктов, что ставит новые задачи перед очисткой воды на муниципальных водопроводных станциях и требует модернизации. Геосмин и 2-метилизоборнеол, два из недавно добавленных индикаторов, считаются основными факторами, влияющими на запах питьевой воды, при этом для каждого из них установлен предел в 10 нг/л, который не должен быть превышен в питьевой воде. Геосмин и 2-метилизоборнеол, образующиеся в основном в результате метаболизма водорослей и актиномицетов в таких водоемах, как озера и водохранилища, даже в очень низких концентрациях легко ощущаются благодаря их летучести и низкому обонятельному порогу. Они являются основными факторами, влияющими на качество и вкус воды. В сезон высоких температур, когда активно размножаются водоросли, концентрация геосмина и 2-метилизоборнеола повышается и усиливает “землистый вкус”[2][3].

В сырой воде скрыты опасные вещества

В 2009 году была построена насосная станция для подачи чистой воды на водопроводную станцию Хэфэй №6, которая получает сырую воду из одного из двух крупнейших городских водохранилищ – водохранилища Дафанъин – общей производительностью 900 000 м3/сутки. Качество воды в водохранилище Дафанъин соответствует требованиям III класса, предусмотренным экологическими стандартами качества поверхностных вод (GB3838-2002), что делает его идеальным источником централизованного водоснабжения для городского использования. Однако в летнее время микроорганизмы, такие как водоросли в водохранилище Дафанъин, проявляют высокую активность, что приводит к повышению уровней геосмина и 2-метилизоборнеола, исторические максимумы которых составляют 38 нг/л и 99 нг/л соответственно. В данном случае существующая система ручного дозирования порошкообразного активированного угля (PAC) на этой насосной станции уже давно вышла из строя из-за устаревшего оборудования и недостаточного технического обслуживания. Было необходимо технологически модернизировать насосную станцию для подачи сырой воды, чтобы повысить безопасность водоснабжения объекта и возможности реагирования на чрезвычайные ситуации.

Выбор решения по дозированию

Как правило, для устранения запаха сырой воды используют адсорбцию активированным углем и окисление перманганатом калия. Активированный уголь является эффективным адсорбентом запаха воды. Ли Вэйгуан, Ли Дапенг и др. провели эксперименты, в которых они использовали PAC для удаления запаха из питьевой воды, продемонстрировав, что PAC может эффективно контролировать запах воды, вызванный сезонным размножением водорослей[4]. Как и предполагалось, при дозировке PAC в 40 мг/л для достижения высокого порога запаха (90) и 20 мг/л для достижения низкого порога запаха (30) обработанная вода не имеет необычного запаха или вкуса. Исследования показали, что, несмотря на различные пороговые значения запаха подаваемой воды, скорость удаления запаха PAC при одинаковой дозировке остается относительно стабильной.

При разработке проекта были всесторонне учтены пространственная планировка существующего дома, эффективность дозирования, безопасность, стоимость инвестиций и другие факторы. Что еще более важно, компания выбрала дозирование PAC в качестве экстренной меры для решения проблемы запаха.

Введение в методы дозирования

В Китае технология мокрого дозирования широко применяется на практике на протяжении десятилетий на водопроводных станциях. Процедура приготовления и дозирования приведена в описании. PAC сначала доставляется из автоцистерн в бункер для хранения с помощью пневмотранспорта с избыточным давлением. Бункер оснащен переключателями высокого, среднего, низкого, пустого и полного уровня; когда переключатель полного уровня подает тревожный сигнал и включает аудиовизуальную сигнализацию, автоцистерна прекращает подачу; если она переполнена, переключатель высокого уровня подает сигнал о прекращении процесса подачи; когда уровень падает до минимума, переключатель низкого уровня подает запрос на пополнение. В нижней части бункера установлен питатель для обеспечения стабильной, непрерывной и точной подачи PAC, который можно регулировать по частоте.

Дозированный PAC подается шнековым конвейером в смесительный бак, где PAC смешивается с водой, вводимой в определенном соотношении, образуя суспензию PAC. Дозировку суспензии можно регулировать либо изменением концентрации суспензии, либо подачей насоса, а концентрацию суспензии можно регулировать либо изменением расхода питателя, либо притоком воды. Система дозирования wet PAC настолько удобна в использовании, что позволяет пользователям вручную устанавливать параметры с помощью сенсорного экрана на шкафу управления, осуществляя автоматическое управление соответствующим оборудованием с помощью программируемого логического контроллера (ПЛК). После приготовления суспензии верхняя система ПЛК посылает сигналы запуска соответствующих насосов. Кроме того, он автоматически регулирует рабочие частоты насосов с помощью управляющих сигналов для регулирования дозировки[6].

Дозирование сухим способом

В сухом дозировании используется технология высокоскоростной струйной обработки, позволяющая объединить приготовление, смешивание и дозирование в один непрерывный процесс, при котором сырой ПАК подается по загрузочному трубопроводу в бункер с помощью пневмотранспорта с избыточным давлением. С помощью механических, пневматических и вибрационных устройств для удаления перегородок в бункере для хранения и мешалки типа плуга, расположенной под бункером, PAC подается на двухшнековый конвейер с блокировкой, который позволяет точно определять количество. Проходя через питатель, PAC поступает в массообменную камеру высокоскоростного струйного смесителя и мгновенно смешивается с носителем для струйной обработки (то есть с сырой водой). Вся система полностью закрыта, чтобы избежать утечки пыли. Во время движения порошкообразный реагент принудительно диспергируется в струйном носителе и быстро превращается в однородную суспензию, проходя через диффузор в хвостовой части струйного устройства из-за изменения давления. Затем суспензия подается к месту дозирования для смешивания с водой в процессе обработки.

Различия между дозированием во влажном и сухом виде

Благодаря относительно крупномасштабной конструкции система мокрого дозирования включает в себя больше устройств и отличается более высоким энергопотреблением, занимаемой площадью, а также затратами на строительство и эксплуатацию. Из-за наличия в суспензии взвешенных частиц возвратно-поступательные насосы недоступны, так как механические возвратно-поступательные движения могут снизить локальную скорость суспензии и вызвать отложение осадка. В частности, предпочтение отдается винтовым насосам, поскольку буровые насосы имеют низкую точность дозирования и характеристики мягкого напора, что делает их недоступными в точках дозирования под высоким давлением. Однако мелкие твердые частицы, содержащиеся в суспензии PAC, могут приводить к износу роторов, снижая тягу и напор, что приводит к снижению скорости суспензии. Как только скорость суспензии падает ниже скорости взвешенного вещества, твердые частицы выпадают в осадок и забивают дозирующий трубопровод. Это считается непреодолимым недостатком мокрого дозирования и является основной причиной более высоких затрат на техническое обслуживание.

По сравнению с мокрым дозированием, сухое дозирование обладает следующими преимуществами:

(1) Основанная на технологии one-stop jet, система сухого дозирования объединяет приготовление суспензии PAC, смешивание и дозирование в одну непрерывную операцию. Обладая компактной конструкцией, эта система требует меньшего количества технологических единиц, меньшего пространства и меньших инвестиционных и эксплуатационных затрат. По сравнению с традиционным методом мокрого дозирования, она снижает затраты на строительство и закупку на 30-40%, а энергопотребление — на 25-35%;

(2) В системе сухого дозирования используется технология высокоскоростного струйного принудительного распыления, что делает ненужными насосы для обработки суспензии, устраняя риск недостаточной скорости подачи суспензии и последующего осаждения твердых частиц, что может привести к засорению трубопровода. Ожидается, что сухое дозирование снизит затраты на техническое обслуживание по меньшей мере на 90%;

(3) Система сухого дозирования использует высокоскоростную кинетическую энергию и силу сдвига струйного носителя для разрушения электростатических и молекулярных сил PAC, который обладает “характеристиками самоагломерации”. Таким образом, основанный на струйной технологии, он улучшает диспергирование PAC и увеличивает коэффициент использования PAC-агентов более чем на 50%. Что еще более важно, уменьшенная дозировка PAC также может смягчить воздействие материала на последующую коагуляцию, осаждение, фильтрацию и обратную промывку;

(4). Высокоскоростной струйный агрегат, входящий в состав системы, использует распределенную систему управления (DCS) для управления технологическим процессом и использует 3 датчика давления (один на передней панели, один на задней панели струйного агрегата и один внутри камеры массообмена) для измерения когерентности, что позволяет автоматически регулировать система, работающая в режиме поля струйного течения. В этом случае это предотвращает попадание системы в поле давления или проникающего потока из-за внешних факторов воздействия;

(5). Система сухого дозирования обладает характеристиками быстрого реагирования и, таким образом, особенно подходит для аварийной обработки систем водоснабжения. Если в бункере для хранения имеется PAC, система может начать дозирование в течение нескольких минут после получения команды на дозирование. В отличие от этого, система мокрого дозирования включает смешивание частиц PAC с водой и перемешивание в бункере для хранения перед подачей влажного PAC с помощью винтового насоса, что, как правило, занимает довольно много времени;

(6). Система сухого дозирования адаптируется к суровым гидравлическим условиям, поскольку выходное давление струйного устройства может быть задано на более высоком уровне, что позволяет увеличить расстояние между дозирующим оборудованием и точкой дозирования (от нескольких сотен метров до одного километра). Давление в точке дозирования может достигать 0,8 МПа.

Состав системы дозирования

Хранение дозируемого материала

Согласно расчетам, развернуто 2 комплекта складских помещений для хранения материалов. Каждый комплект включает в себя бункер для хранения материалов (объем: 90 м3), опорную раму силоса, верхние ограждения и лестницу, поворотные переключатели обнаружения лопастей, радарный уровнемер, коническое устройство для снятия перегородок внутри силоса, высокоскоростное пневматическое устройство для снятия перегородок, вибрационное устройство для снятия перегородок со стенок силоса и пневматическое управление клапанный коллектор.

Пневмотранспортировка дозируемого материала

Для подачи PAC из автоцистерн в силосы используются 2 комплекта пневмотранспортных устройств с избыточным давлением. Каждый комплект включает в себя пылеуловитель для верхней части силоса, устройства контроля давления в силосе, предохранительные клапаны для верхней части силоса и передающий трубопровод (и сопутствующие принадлежности). Весь процесс загрузки полностью герметичен, что предотвращает попадание пыли в окружающую среду.

Контроль за разгрузкой

используются 2 комплекта систем управления разгрузкой, каждая из которых состоит из ручного задвижного клапана и плужной мешалки для удаления пробок. Плужковая мешалка, установленная на дне бункера, разбивает комки, образующиеся под воздействием влажного воздуха, обеспечивая равномерную рассыпчатость и текучесть ПАК, поступающего в дозирующий шнек, что повышает точность дозирования.

Дозирование в больших количествах

Рассматриваются 2 комплекта дозаторов, каждый из которых содержит двухшнековый конвейер с прецизионным дозированием, приводной механизм, двигатель с широким диапазоном регулировки скорости, векторный регулятор скорости с замкнутым контуром, антиблокировочную сигнализацию и однонаправленный регулятор воздушного потока. Дозатор используется для точной и непрерывной дозировки PAC в струйный смеситель в соответствии с заданным соотношением дозирования и заданным расходом сырой воды. В этом разделе большое значение имеет прецизионный дозирующий двухшнековый конвейер с блокировкой, поскольку он обеспечивает точную дозировку PAC, а его сдвоенные шнеки с блокировкой способны взаимно очищать порошок, прилипший к поверхностям спиральных лопастей друг друга под действием влажного воздуха или электростатических и молекулярных сил, что улучшает качество измерения. точность при одновременном увеличении диапазона линейности.

Струйное перемешивание дозируемого материала

Конструкция включает в себя 2 комплекта струйных смесителей, каждый из которых включает высокоскоростной струйный смеситель, датчик вакуума, блок определения давления, высокоскоростной пневматический шаровой кран, выпускной клапан, Y-образный фильтр, обратный клапан, ручной шаровой кран и гибкие соединители. По сути, высокоскоростной струйный смеситель служит в качестве массообменного устройства для быстрого и однородного смешивания PAC с носителем для струйной обработки (т.е. сырой водой) в виде суспензии и подачи суспензии в трубопровод для подачи сырой воды.

Вспомогательное оборудование

Полный комплект, состоящий из винтового воздушного компрессора, холодильной сушилки и резервуара для хранения воздуха, предназначен для разрушения свода в бункере с активированным углем. После хранения в бункере в течение определенного периода времени PAC может испытывать направленное вверх усилие, обусловленное адгезией порошка и трением на определенном уровне. Как только это усилие уравновешивается давлением материала на указанном уровне, на этом уровне может быть достигнуто статическое равновесие, в результате чего образуются арки. В других случаях перепады температуры и влажности внутри бункера также могут привести к слипанию порошка и его прилипанию к стенкам бункера, что способствует образованию сводов. Таким образом, для устранения неблагоприятного воздействия сводов на производство необходима стратегия устранения перекрытий.

Электроавтоматика и управление системы дозирования

Эта секция состоит из шкафа управления, логического контроллера ПЛК серии Siemens S7-200 Smart, сенсорного экрана управления (10-дюймовый цветной дисплей), преобразователя частоты, низковольтных электрических компонентов, индикаторных лампочек и кнопок управления, используемых для мониторинга и управления системой дозирования PAC. Он может взаимодействовать с главным компьютером и имеет доступ к системе автоматизации предприятия через Ethernet.

Основные функции включают в себя:

1. Дисплей управления и аварийной сигнализации для всего оборудования, сигнальные лампы в шкафу управления на месте установки и информация о тревоге, отображаемая на ПЛК, могут быть загружены через коммуникационный порт. ПЛК предоставляет исторические записи о содержании аварийных сигналов (включая название, время и рабочее состояние);

2. Автоматическое дозирование, контролируемое заданным соотношением доз в ПЛК;

3. Переключение локального и дистанционного управления;

4. Установка и модификация соответствующих параметров;

5. Управление запуском и остановкой на высоком уровне. аварийные сигналы и сброс настроек для всего оборудования, включая пылесборники;

6. Система удаленного управления дозирующим оборудованием (т.е. верхний компьютер).

Режимы работы системы дозирования

Система струйного дозирования PAC предлагает два режима дозирования, которые позволяют свободно переключаться.

Режим фиксированного дозирования

На основе предварительно заданного мгновенного расхода сырой воды, коэффициента дозирования и типа агента система сухого дозирования автоматически рассчитывает мгновенную дозировку порошкообразного агента и управляет дозатором для соответствующей дозировки. При изменении расхода сырой воды или коэффициента дозирования параметры следует сбросить.

Режим пропорционального дозирования

Система автоматически собирает сигналы о мгновенном расходе сырой воды, чтобы рассчитать мгновенную дозировку реагента на основе заданного соотношения дозировок и управлять дозатором для правильной дозировки. Во время сбора мгновенных сигналов, при любых изменениях в расходе исходной воды, дозировка реагента будет пропорционально изменяться для поддержания постоянного соотношения между мгновенной дозировкой реагента и расходом исходной воды.

Вывод

Эта система отличается простой конструкцией, быстрым реагированием на чрезвычайные ситуации, удобной ежедневной эксплуатацией, низкой частотой отказов оборудования, низкими затратами на техническое обслуживание и эксплуатацию, а также низкими первоначальными инвестициями, что, тем не менее, благоприятно сказывается на улучшении качества сырой воды. Его успешное применение дает новые идеи и направления как для проектов строительства, так и для проектов реконструкции насосных станций с чистой водой, а также является полезным ориентиром для гидротехнических сооружений, страдающих от запаха сырой воды.