Автоматизированные технологические лаборатории для повышения качества очищаемой воды и снижения затрат на ее производство

УДК 55:504

Рассмотрено применение на водоочистных станциях автоматизированных технологических лабораторий – контрольно-измерительных и управляющих компьютеризированных модулей разработки и изготовления ООО «НВЦ УНИТОК». Автоматическое проведение пробных коагуляций предоставляет возможность оперативного корректирования рабочих доз реагентов. Автоматическое определение дозы коагулянта «по проводимости» обеспечивает автоматическое управление дозированием его рабочего раствора без использования расходомеров. Применение двух автономных ячеек для измерения величины рН повышает надежность дозирования щелочного реагента, а автоматическое измерение концентрации активного хлора создает условия для автоматического дозирования содержащего хлор реагента при первичном и вторичном хлорировании. Реализация экономичных режимов промывки фильтрующего оборудования - естественное решение задачи экономии расхода воды на собственные нужды.

Ключевые слова: оптимизация, водоподготовка, доза, коагулянт, хлорирование, фильтр.

В настоящее время на значительном количестве водоочистных станций России отсутствует непрерывный автоматический контроль процесса водоподготовки, а управление этим процессом основывается на результатах лабораторных химических анализов, периодичность которых не всегда достаточна для его оптимальной реализации и получения очищенной воды требуемого качества.

Изменяющиеся условия проведения технологического процесса реагентной очистки воды - биологические и физико-химические показатели исходной воды, типы и марки используемых реагентов, концентрации их рабочих растворов, состояние дозирующих устройств и технологических аппаратов (смесителей, отстойников, контактных осветлителей, фильтров) - требуют непрерывного автоматического контроля основных его параметров и оперативного реагирования диспетчерской службы и системы автоматического управления.

Специализацией ООО «Научно-внедренческий центр УНИТОК» (г. Екатеринбург) является разработка и создание автоматизированных технологических лабораторий - контрольно-измерительных и управляющих компьютеризированных модулей, обеспечивающих контроль основных параметров технологического процесса, их анализ по разработанному алгоритму и последующее управление исполнительными механизмами, дозирующими используемые реагенты.

Для оптимизации технологических процессов реагентной очистки воды, реализуемых с использованием коагулянтов, флокулянтов, щелочных и содержащих активный хлор реагентов, разработаны контрольно-измерительные и управляющие модули (КИМ) «Коагулянт-Осветлитель», «Хлор-мониторинг», автоматического дозирования коагулянта и флокулянта КИМ АДКФ, автоматического дозирования щелочного реагента КИМ АДЩР, а также промывки фильтров и контактных осветлителей КИМ ПФ [1-7].

Каждый из перечисленных выше модулей является самостоятельным измерительно-вычислительным и управляющим комплексом, который легко интегрируется в любую САУ и легко устанавливается на любой станции водоподготовки независимо от ее производительности и технического состояния.

К настоящему времени автоматизированные системы контроля и управления на базе модулей ООО «НВЦ УНИТОК» внедрены на 42 водоочистных станциях России и Казахстана. Контрольно-измерительные и управляющие модули «Коагулянт-Осветлитель», автоматического дозирования коагулянта и флокулянта КИМ АДКФ и «Хлор-мониторинг» в совокупности образуют контрольно-аналитический комплекс «УНИТОК-1» (свидетельство об утверждении типа средств измерений RU.С.31.005.А, № 19924).

Контрольно-измерительный модуль «Коагулянт-Осветлитель» предназначен для непрерывного автоматического контроля основных параметров технологического процесса очистки воды (мутности, величины рН, температуры, скорости осветления коагулированной взвеси и цветности (при укомплектованности анализатором цветности «Сергий-Цвет-2»).

На рис. 1 представлен контрольно-измерительный модуль «Коагулянт-Осветлитель», установленный в цехе водоподготовки АО «Архангельский ЦБК», сентябрь 2013 год. Контролируемые пробы подведены к панели потоков (левая стойка) с разных участков технологического процесса. Рабочая емкость с датчиками мутности, величины рН, температуры и анализатор «Сергий-Цвет-1» расположены на правой стойке.

КИМ «Коагулянт-Осветлитель» позволяет поочередно контролировать до 12 проб воды, поступающих с различных этапов технологического процесса ее очистки: пробы исходной воды, отобранных после смесителей, осветлителей, отстойников, фильтров. Измеряемые параметры: мутность, цветность, величина рН, температура, скорость осветления коагулированной взвеси Vосв, мг/л/мин.

Результаты измерений названных параметров (до 10000 значений в сутки) отображаются на мониторе компьютера в виде графиков и таблиц и записываются в архив данных. Наглядность и своевременность результатов измерений позволяет оптимизировать работу диспетчерской службы и оперативно корректировать технологический процесс.

На рис. 2 представлена оперативная информация о динамике работы фильтров головных очистных сооружений водопровода (ГОСВ) г. Хабаровска. Эта информация позволяет сменному мастеру планировать промывку фильтров и регламентный сброс воды из отстойников, что способствует увеличению фильтроцикла фильтрующего оборудования, экономии расхода промывной воды и повышению производительности очистных сооружений, при соблюдении необходимого качества очищаемой воды.

На рис. 3 приведены временные зависимости мутности осветленной и фильтрованной воды одного из блоков отстойников и фильтров НФС-1 г. Новосибирска.

Наблюдаемые периодические снижения мутности осветленной воды в утренние часы обусловлены увеличением времени нахождения в отстойниках очищаемой воды в ночное время.

Увеличение мутности фильтратов около 9 ч утра представляет собой, возможно, проскок мелкодисперсных взвесей, поступивших в фильтры из отстойников, не задержанных фильтрующей загрузкой из-за особенностей процесса фильтрации при отсутствии их более крупных фракций.

Для оценки влияния различных факторов (концентраций рабочих растворов коагулянта и флокулянта, их доз, точек ввода реагентов в очищаемую воду, параметров исходной речной воды) на эффективность хлопьеобразования и прогнозирования результатов коагулирования на водоочистных сооружениях в модуле «Коагулянт-осветлитель» предусмотрен режим «пробной коагуляции», являющийся моделью процесса осветления коагулированной взвеси в отстойниках. Данный режим позволяет автоматически и оперативно определить скорость осветления коагулированной воды, проба которой отобрана после смесителя или из камеры хлопьеобразования и поступила в рабочую емкость модуля, оценить оптимальность значений доз реагентов, подобранных химической лабораторией в процессе лабораторных исследований, оперативно скорректировать их в технологическом процессе для получения оптимальных параметров очищенной воды.

На рис. 4 приведены временные зависимости мутности коагулированной воды, полученные на ГОСВ г. Хабаровска в 2005 году в режиме автоматического проведения пробных коагуляций при разных дозах коагулянта (ОХА): А - 4,5 мг/л, Б - 5,2 мг/л, В - 6 мг/л, Г - 8,5 мг/л. Доза флокулянта (ПАА) во всех опытах ~ 0,2 мг/л. Параметры исходной воды: М=85мг/л, Ц=700ХКШ, рН = 7,1. Продолжительность наблюдения пробной коагуляции в каждом опыте 10-20 минут.

Значение скорости осветления Vосв коагулированной взвеси, получаемое в процессе реализации режима «пробной коагуляции», позволяет в течение 15-20 минут получить прогноз результатов работы отстойников, которые будут иметь место в сложившихся технологических условиях через 2-3 часа (среднее время нахождения очищаемой воды в отстойниках), что позволяет с упреждением событий произвести корректировку параметров осуществляемого технологического процесса.

Контрольно-измерительный и управляющий модуль автоматического дозирования коагулянта и флокулянта (КИМ АДКФ) предназначен для непрерывного автоматического контроля доз коагулянта и флокулянта в очищаемой воде, автоматического управления работой устройств, подающих рабочие растворы реагентов, контроля их исправности и достоверности показаний применяемых расходомеров.

КИМ АДКФ автоматически определяет дозу коагулянта в очищаемой воде двумя способами: «объемным», расчетным методом, при использовании значений расходов исходной воды и рабочего раствора коагулянта (показания расходомеров), его плотности и концентрации, формула (1) и кондуктометрическим методом - по изменению электропроводности очищаемой воды, обусловленному введением в нее коагулянта, формула (2).

Dреагента = 10*С*р*q/Qводы (1),
где С - весовая концентрация, %, р-плотность, г/см3, q-расход, л/час рабочего раствора реагента, Qводы - расход сырой воды, м3/час.

Кондуктометрический метод позволяет определять дозу коагулянта в очищаемой воде при отсутствии расходомеров сырой воды и рабочего раствора коагулянта по формуле (2). Знание концентрации и плотности рабочего раствора при этом не требуется:

Dкоаг = А* (Э2 - Э1) (2),
где Э1 и Э2 - значения электропроводности пробы воды исходной и пробы воды с коагулянтом,
А - постоянная, определяемая в процессе калибровки КИМ АДКФ.
Доза флокулянта определятся только расчетным методом по формуле (1).

На рис. 5 приведено фото КИМ АДК ВОС Артемовского гидроузла г. Владивостока (июль 2009 года). К панели потоков модуля подведены три пробы воды: исходная, вода после введения в нее активного хлора и вода с хлором и коагулянтом.

На рис. 6 приведены временные зависимости электропроводности пробы сырой воды (до введения в нее коагулянта) и пробы воды с коагулянтом, отобранной после смесителя станции. Графики получены на ЧОС ООО «Новогор-Прикамье» г. Перми в марте 2014 года.

При стабильной дозе (концентрации) коагулянта в воде эти графики подобны. Электропроводность пробы воды с коагулянтом больше электропроводности сырой воды, поэтому график временной зависимости электропроводности воды с коагулянтом находится выше графика электропроводности сырой воды. Скачки на графике временной зависимости электропроводности воды с коагулянтом отражают особенности процесса его дозирования.

В автоматическом режиме работы модуль АДКФ поддерживает заданные оператором дозы коагулянта и флокулянта. Время переходного процесса при изменении расхода исходной воды или концентрации рабочего раствора коагулянта на 15-20% не более 10-15 минут.

В ручном режиме работы модуль АДКФ контролирует временные зависимости доз коагулянта и флокулянта без их автоматического корректирования. При этом оператор имеет возможность дистанционного (из диспетчерской) изменения производительности исполнительных механизмов, подающих реагенты.

Одновременное использование двух методик определения доз коагулянта, характеризующихся формулами 1 и 2, позволило специалистам ООО «НВЦ УНИТОК» совместно с технологами МУП г. Ижевска «Ижводоканал» реализовать методику определения коэффициента деления потоков сырой воды, поступающих в два смесителя станции, при отсутствии индивидуальных для каждого смесителя приборов учета их расходов.

Созданная модификация КИМ АДКФ получила название КИМ АДКФ-И и обеспечивает автоматическое дозирование двух типов коагулянта (СА и ОХА) и одного типа флокулянта в каждый из двух смесителей ВОС «Кама-Ижевск».

Рис. 7 с шестью графиками временных зависимостей доз применяемых на ВОС «Кама-Ижевск» реагентов является отражением работы контрольно-измерительного и управляющего модуля автоматического дозирования коагулянта и флокулянта - КИМ АДКФ-И.

Контрольно-измерительный и управляющий модуль «Хлор-мониторинг» (КИМ «Хлор-Мониторинг») предназначен для автоматического измерения концентрации общего (суммарного) или свободного активного остаточного хлора 12-ти проб воды при первичном и вторичном хлорировании с использованием методик ГОСТ 18190-72 и управления исполнительными механизмами, дозирующими хлорсодержащий реагент, по 4-м независимым каналам.

На рис. 8 приведена фотография КИМ «Хлор-мониторинг», установленного на Западной фильтровальной станции г. Екатеринбурга в январе 2015 года.

Аналогично КИМ «Коагулянт-Осветлитель» КИМ «Хлор-Мониторинг» состоит из блока приема и распределения потоков, к которому подводится до 12-ти проб воды, отобранных после первичного и вторичного хлорирования (левая стойка). Блок управления расположен на правой стойке сверху, блок измерения с блоком автоматических дозаторов в количестве пяти и оптической ячейкой - в нижней ее части.

При проведении каждого анализа автоматически выполняется циклограмма измерений, включающая в себя операции по подготовке пробы к проведению анализа, диагностике модуля и проведению анализа.

В основе определения концентрации активного хлора КИМ «Хлор-Мониторинг» лежит метод фотоколориметрического титрования. При реализации этого метода оптическим датчиком фиксируется момент изменения окраски анализируемой пробы (момент окончания титрования) и, по определяемому при этом количеству израсходованного раствора титранта производится расчет концентрации активного хлора.

В ходе проведения анализов осуществляется запись т.н. кривых титрования анализируемых систем, представляющих собой временные зависимости их оптических характеристик. Отражением определения концентрации суммарного активного хлора является рис. 9.

Введение титранта в анализируемый раствор производится автоматическим капельным дозатором с одновременным перемешиванием жидкости в оптической ячейке рамкой с частотой вращения ~ 200 об/мин. Поступление каждой капли в анализируемый раствор отражается на графиках титрования вертикальной линией красного цвета. Количество линий (количество капель) определяет объем титранта (раствора тиосульфата натрия, или метилоранжа), затраченного в процессе анализа.

Рис. 10 отражает процесс автоматического контроля концентрации остаточного свободного хлора и автоматического управления дозированием ГХН на ФОС-1 АО «Архангельский ЦБК» (г. Новодвинск). Контролируемые пробы отобраны после смесителя (первичное хлорирование), отстойника, фильтров и перед РЧВ (вторичное хлорирование). Реализовано автоматическое дозирование ГХН по двум каналам.

Опыт применения КИМ «Хлор-Мониторинг» на водоочистных станциях показывает, что автоматический контроль проб воды после первичного (после смесителя) и вторичного (перед РЧВ) хлорирования позволяет успешно реализовать автоматическое управление дозированием содержащих активный хлор реагентов, а автоматический контроль концентраций активного хлора в пробах, отобранных после отстойников, фильтров и контактных осветлителей позволяет оперативно оценивать его поглощение очищаемой водой, а также загрязненность фильтрующих загрузок.

Контрольно-измерительный и управляющий модуль автоматического дозирования щелочного реагента КИМ АДЩР предназначен для непрерывного автоматического контроля и поддержания заданной величины pH при автоматическом управлении исполнительными механизмами, дозирующими щелочной реагент, в технологических процессах подщелачивания и стабилизационной обработки очищаемой воды.

Проба воды, отбираемая после ввода щелочного реагента, одновременно контролируется в двух электрохимических ячейках КИМ АДЩР. Определенные при этом величины рН используются для управления исполнительным механизмом, дозирующим щелочной реагент. При наличии сигналов с расходомеров сырой воды и рабочего раствора щелочного реагента возможно управление его дозированием с поддержанием заданной дозы, рассчитываемой по формуле (1). На рис. 11 приведено фото КИМ АДЩР, установленного на ФОС-1 АО «Архангельский ЦБК» (сентябрь 2013 года).

КИМ АДЩР включает в себя две автономные электрохимические ячейки с блоками автоматической очистки электродов и сброса осадка из рабочих емкостей.

Наличие двух автономных анализаторов величины рН способствует повышению достоверности контроля этого параметра и повышает надежность КИМ АДЩР в целом, т.к. каждый из рассматриваемых анализаторов обеспечивает измерение величины рН анализируемой пробы и автоматическое управление дозированием применяемого щелочного реагента.

На рис. 13 приведены графики временных зависимостей мутности отработанной промывной воды и количества взвешенных веществ, удаляемых из фильтров №№ 1, 2 и 3 ВОС «Кама-Ижевск» во время их промывки.

Программное обеспечение КИМ ПФ осуществляет автоматическое заполнение журнала промывок, в котором отображаются основные параметры этого процесса: максимальное значение мутности отработанной промывной воды, количество взвешенных веществ, удаляемых из фильтров с промывной водой, время, затраченное на отмывку фильтра или контактного осветлителя до заданного значения мутности, затраты промывной воды.

Контрольно-измерительный и управляющий модуль промывки фильтров и контактных осветлителей КИМ ПФ предназначен для автоматического контроля мутности отработанной промывной воды, расчета количества взвешенных веществ, удаляемых ею из фильтрующей загрузки и своевременного прекращения промывки путем подачи информационных (оперативному персоналу) и управляющих (в систему АСУ ТП) сигналов.

КИМ ПФ (см. рис. 12) включает в себя блок приема и распределения анализируемых потоков по аналогии с КИМ «Коагулянт-Осветитель» в количестве до 12-ти, высокоскоростной анализатор мутности промывных вод фильтров АМПВ-2, блок интерфейсный для взаимодействия операторов фильтров с ПК в диспетчерской.

Впервые КИМ ПФ был испытан в августе 2012 года на НФС-1 МУП «Горводоканал» г. Новосибирска. Полученные результаты были изложены в статье [6]. Они показали, что автоматический контроль мутности отработанной промывной воды является действенным средством для достижения ее экономии ~30%. Последующее внедрение КИМ ПФ на водоочистных станциях ФОС-1, ФОС-2, СПХВ, ГВОС АО «Архангельский ЦБК», ВОС «Кама-Ижевск» г. Ижевска, ЧОС ООО «Новогор-Прикамье» г. Перми доказали, что указанная экономия расхода промывной воды ~30% - достигаемая реальность.

Опыт применения КИМ ПФ показывает, что предоставляемая им возможность анализа количества взвешенных веществ, удаляемых из фильтров (контактных осветлителей) во время их промывки, позволяет технологу станции оценить эффективность работы 1-й ступени очистки (отстойников), а также оценить нагрузку на каждый фильтрующий аппарат, что является важным технологическим содержанием модуля, помимо получаемой экономии расхода промывной воды.

На рис. 14 приведено основное окно программного обеспечения «УНИТОК-Диспетчер» с информацией модулей АДКФ, АДЩР и анализатора цветности «Сергий-Цвет-1» на станции ФОС-1 АО «Архангельский ЦБК». Сверху слева направо - временные зависимости дозы коагулянта (КИМ АДКФ), величины рН (КИМ АДЩР) и цветности (АЦ «Сергий-Цвет-1»).

Каждый из вышеперечисленных контрольно-измерительных модулей представляет собой не просто средство измерения ряда физико-химических величин, а измерительно-вычислительный комплекс, сочетающий в себе средства самодиагностики, автоматической очистки первичных преобразователей и контроля состояния исполнительных механизмов, включенных с ним в систему АСУ ТП.

Развитые системы самодиагностики модулей и используемые т.н. «алгоритмы безопасности технологического процесса» предупреждают ложные управляющие действия САУ. Так, например, программным обеспечением КИМ АДКФ и КИМ АДЩР запрещается режим автоматического управления дозированием реагентов при несвоевременной калибровке модулей обслуживающим персоналом, выходе ряда значений электрических параметров оборудования за пределы интервалов их допустимых значений, неисправности отдельных электронных и механических узлов, а также неэффективности применяемого закона управления.

Автоматизация и компьютеризация контроля и управления технологическими процессами реагентной очистки воды является в настоящее время необходимым условием дальнейшей их оптимизации.

Литература:

1. Штернер С.Р. (1997) Автоматический корректор технологии водоподготовки – контрольно-измерительный модуль «Коагулянт-Осветлитель». В: Водоснабжение и санитарная техника. №7, стр. 21-23.
2. Штернер С.Р. (2005) Методы оптимизации действующих технологий реагентной очистки воды средствами АСУ ТП. В: Материалы научно-практического семинара «Современные технологии обеспечения надежности систем водоснабжения и водоотведения», 19-21 апреля 2005 г., Новосибирск.
3. Штернер С.Р., Лузгин С.Л. (2005) Оптимизация технологии реагентной очистки воды средствами АСУ ТП. Материалы II международной научно-практической конференции «Решение водохозяйственных проблем в сибирском регионе», 27-28 октября 2005 г., Новосибирск.
4. Целевой проект по решению проблем повышения качества питьевой воды на очистных сооружениях предприятий «Водоканал», а также воды для технологических целей, очищаемой в водоподготовительных цехах промышленных предприятий. Концепция программы «Вода питьевая - чистая вода». В: Водные ресурсы и водопользование, Республика Казахстан. №8(20), стр. 27-30.
5. Домнин К.В., Архипова Е.Е., Штернер С.Р., Лузгин С. Л. (2007) Оптимизация технологического процесса очистки воды на сооружениях водопровода г. Хабаровска. В: Водоснабжение и санитарная техника. №6, ч.2, стр. 24-27.
6. Автоматизация контроля мутности промывных вод скорых фильтров.
7. С.Р. Штернер, С.Л. Лузгин, Ю.В. Нестеров, Б.Л. Копелиович, ООО «Научно-внедренческий центр УНИТОК», г. Екатеринбург.
8. В.В. Мамаев, В.Н. Новошинцев, И.В. Валуйских, В.А. Жагин, В.В. Болдырев, МУП г. Новосибирска «Горводоканал». - VIII международная научно-производственная конференция «Решение проблем экологической безопасности в водохозяйственной отрасли», Россия, г. Новосибирск, 17-19 октября 2012 г.
9. Оптимизация технологического процесса реагентной очистки воды на очистных сооружениях г. Уссурийска средствами АСУ ТП. Вода Magazine №3(55), стр. 40-43, март 2012 г.

Automated technology laboratory to improve the quality of treated water and reduce production costs

We considered the use in wastewater treatment plants automated laboratories - instrumentation and control modules of the computerized development and production OOO «UNITOK». Automatic trial coagulate provides the possibility of rapid adjustment of the working doses of the reagents. Automatic determination of coagulant dosage «con4 ductivity» provides an automatic dispensing control and its working solution without the use of flow meters. The use of the two Autonomous cells for the measurement of pH increases the reliability of the dosing of the alkaline reagent, and automatic measurement of the concentration of active chlorine creates conditions for automatic dosing of chlorinecontaining reagent when the primary and secondary chlorination. The implementation of cost-effective modes of washing filter equipment is the natural solution to the problem of saving water consumption for own needs.

Keywords: optimization, water treatment, dose, coagulant, chlorination, filter.

Schterner Semyon Romanovich, candidate of physico-mathematical Sciences, General Director of «Scientific innovation center UNITOK».

620026, Russia, Ekaterinburg, Tveritina street, 34, section 4, of. 250. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine», №11 (123), 2017 г.