Подбор комплекса дозирования системы водоснабжения требует от проектировщиков серьезной инженерной проработки, глубокого знания номенклатуры дозирующих насосов и их комплектующих, умения работать со справочной литературой. Предлагаемая статья — первая из двух публикаций, в которых в качестве конкретного примера шаг за шагом рассматривается подбор комплекса пропорционального дозирования гипохлорита натрия в системе водоподготовки небольшого предприятия. При расчете такой системы приходится решать практически все задачи, зачастую возникающие при подборе комплекса дозирования с любыми другими реагентами — растворами тринатрийфосфата, соляной кислоты, едкого натра, оксихлорида алюминия и др.
Условия задачи
Требуется подготовить воду, поступающую из подземного источника до требова-ний СанПиН 2.1.4.559-96 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству во-ды систем питьевого водоснабжения. Контроль качества». После системы водопод-готовки вода поступает в два подземных резервуара объемом по 250 м3. Расчетный расход системы водоподготовки составляет 10 м3. /ч. Давление перед системой водо-подготовки 5 бар.
В исходной воде отмечается существенное превышение концентраций железа общего (до 5,0 мг/л) и марганца (0,5 мг/л); можно говорить также о повышенном содержании органических веществ, на что указывает высокое значение перманганатной окисляемости (6,0 мг О2/л) и землистый запах (2 балла); значение pH смещено в кислую сторону — 6,5.
С органическими соединениями, такими как оксалаты, гуминовые и фульвокислоты, железо может образовывать комплексные трудно разрушаемые соединения. Учитывая это, а также необходимость дезинфекции воды, поступающей в РЧВ, принимается решение о первичном хлорировании воды с дозой хлора, обеспечивающей полное окисление двухвалентного железа и марганца, окисление органических соединений и остаточную дозу активного свободного хлора до 0,5 мг/л. Реагенты вводятся перед фильтрами в подающий трубопровод.
Выбор дозы хлора
На окисление 1 мг двухвалентного железа расходуется 0,64 мг хлора. Продолжи-тельность реакции для природных вод с pH = 6-8 составляет всего несколько минут, причем с увеличением pH скорость реакции возрастает. Расход хлора на окисление 1 мг Mn2+.; при отсутствии NH4+; — 1,3 мг/л. Причем надо сказать, что эффективность окисления марганца может быть высокой только при значениях pH, равных 8,0-8,5, что чаще всего потребует подщелачивания. Однако при содержании марганца до 1 мг/л, как показывает практика, при обработке воды хлором достигается практически полная очистка воды от марганца. Это может объясняться сорбцией частичным окислением и сорбцией на дисперсном осадке гидроксида железа, который имеет развитую поверхность и поэтому является эффективным сорбентом.
Дозу хлора на окисление органических веществ — при отсутствии данных теф-нологических изысканий — можно ориентировочно принять по рекомендациям СНиП 2.04.02-84. При значениях перманганатной окисляемости до 8 мг О2. /л доза хлора составляет 4-8 мг/л.
Таким образом, доза хлора может быть вычислена:
0,64 × Fe2+; + 1,3 × Mn2+; + (4-8) + 0,5 ~ 8,5 мг/л
Разумеется, эта величина является ориентировочной и будет скорректирована при пусконаладочных работах.
Для первичного хлорирования будет использоваться гипохлорит натрия Na-ClO (ГОСТ 11086-76) марки А, который разрешен для обеззараживания питьевой воды, дезинфекции и отбелки. Это жидкость зеленовато-желтого цвета с содержа-нием активного хлора не менее 190 г/л. Напомним, что в соответствии с ГОСТ по истечении 10 суток допускается потеря до 30% активного хлора относительно первоначального содержания, а также изменение окраски раствора до красновато-коричневой.
| Плотность растворов гипохлорита натрия, полученных хлорированием каустической соды без выделения твердого NaCl | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Содержание, г/л | Плотность, г/л | Содержание, г/л | Плотность, г/л | ||
| активного хлора | избыточного NaOH | активного хлора | избыточного NaOH | ||
| 10 | 3,0 | 1020 | 110 | 8,0 | 1160 |
| 20 | 3,5 | 1040 | 120 | 8,5 | 1170 |
| 30 | 4,0 | 1050 | 130 | 9,0 | 1180 |
| 40 | 4,5 | 1070 | 140 | 9,5 | 1200 |
| 50 | 5,0 | 1080 | 150 | 10,0 | 1210 |
| 60 | 5,5 | 1090 | 160 | 10,5 | 1220 |
| 70 | 6,0 | 1110 | 170 | 11,0 | 1240 |
| 80 | 6,5 | 1120 | 180 | 11,5 | 1250 |
| 90 | 7,0 | 1130 | 190 | 12,0 | 1260 |
| 100 | 7,5 | 1150 | 200 | 12,5 | 1270 |
Выбор концентрации рабочего раствора
Для того чтобы определить необходимую концентрацию раствора в расходных баках (в том случае, если в СНиПе или других нормативных документах нет относительно этого никаких указаний), прежде всего необходимо узнать предел растворимости вещества при данной температуре. Для большинства реагентов, используемых в системах водоподготовки, данные по растворимости и плотности растворов можно найти в справочнике Лурье.
Раньше для дозирования преимущественно использовали сильно разбавленные растворы, что объяснялось в первую очередь низкой точностью дозирования, особенно когда в распоряжении были не дозирующие насосы, а шайбовые или поплавковые дозаторы реагентов. В настоящее время воспроизводимая точность дозирования даже самых простых дозирующих насосов, представленных на российском рынке, составляет не менее ±5%, а германские концерны поставляют на российский рынок мембранные электромагнитные дозирующие насосы с точностью дозирования ±2%.
С учетом того, что площади для оборудования водоподготовки в котельной или на производстве, как правило, очень небольшие и установка больших растворных и расходных емкостей невозможна, применение более концентрированных рабочих растворов является оправданным. При этом основным фактором выбора становится стойкость материалов проточной части дозирующего насоса по отношению к рабочему раствору.
Сегодня большинство компаний, поставляющих дозирующие насосы, предлагают модели в нескольких вариантах в зависимости от материала проточной части. В базовой комплектации они поставляют это оборудование с проточной частью, выполненной из полипропилена с уплотнениями из этилен-пропилена EPDM. Как опции предлагаются дозирующие головки из непластифицированного поливинил-хлорида PVC-U с уплотнениями из фторсодержащего каучука FPM (Viton), поли-тетрафторэтилена PTFE (Teflon) или нержавеющей стали.
При определении стойкости материала проточной части и уплотнений можно опираться на таблицы совместимости ASV Shtubbe Gmb и Georg Fischer. Из них, например, следует, что при температуре раствора до 40°С полипропилен и этилен-пропилен совместимы с раствором гипохлорита натрия только до концентрации 2% по активному хлору. Большинство итальянских фирм, чьи дозирующие насосы ши-роко представлены на российском рынке, для своего оборудования с проточной ча-стью из полипропилена называют цифру до 12-14%. Однако опыт эксплуатации таких насосов показывает, что уплотнения из EPDM абсолютно несовместимы с ги-похлоритом натрия с концентрацией по активному хлору выше 2%. Кроме того, точность дозирования насосов с проточной частью, выполненной из полипропиле-на, при дозировании раствора гипохлорита натрия снижается — по-видимому, из-за изменения формы и сечения каналов дозирующей головки насоса.
Поэтому при использовании рабочего раствора гипохлорита натрия с концен-трацией по активному хлору более 2% правильным будет выбор насоса с проточной частью, выполненной из поливинилхлорида PVC или акрила с уплотнениями из фторсодержащего каучука Viton. Поливинилхлорид — так же как и материал уплот-нений Viton — полностью совместим с любыми концентрациями гипохлорита натрия при температурах рабочего раствора до 40°С.
Как уже было сказано выше, насос с дозирующей головкой из поливинилхло-рида предполагает изменение базовой комплектации, что обычно приводит к повышению цены. Поэтому в данном случае необходимо найти компромисс между минимизаций цены комплекса дозирования и оптимальным уменьшением габаритов растворных и/или расходных емкостей.
По всей вероятности, есть резон выбрать все-таки более дорогой насос с проточной частью, выполненной из поливинилхлорида. При этом надо отметить еще один плюс дозирующих головок из PVC: обычно в таких головках каналы несколько больше, чем в головках из полипропилена. Это особенно важно для дозирования гипохлорита натрия, т. к. для приготовления раствора, как правило, используют неумягченную исходную воду и из раствора может выпадать осадок карбоната кальция (поскольку гипохлорит натрия содержит едкий натр, и pH раствора обычно не менее 8,5). Особенно заметные отложения образуются после продолжительного отключения насоса, т. к. большинство специалистов, обслуживающих подобные системы, пренебрегают инструкциями по эксплуатации и не промывают дозирующие головки насосов водой при остановке. В результате насосы с узкими каналами проточной части могут полностью блокироваться отложениями.
Итак, принято решение использовать дозирующий насос с проточной частью из поливинилхлорида. Стойкостью материала проточной части мы теперь не ограничены, и выбор концентрации рабочего раствора облегчается. С учетом того, что товарный раствор гипохлорита менее стойкий, чем такой же раствор, разбавленный вдвое, мы принимаем решение дозировать раствор с концентрацией 8% по свободному активному хлору.
Расчет расхода дозирующего насоса
Необходимо рассчитать, сколько требуется дозировать рабочего 8%-ного раствора гипохлорита натрия для поддержания в воде концентрации 8,5 мг/л. Доза по активному хлору: n100% = 8,5 мг/л. Концентрация рабочего раствора: n = 8% (90 г активного хлора в литре). Плотность рабочего раствора: p = 1130 г/л. Расход воды по основной магистрали: Qчас = 10000 л/ч.
Тогда:
n8% = (n100% × 100%) / n = (8,5 мг/л × 100%) / 8% = 106,25 мг/л ¤
mчас = (n8% × Qчас) / 1000 = (106,25 мг/л × 10000 л/ч) / 1000 = 1062,5 г/ч ¤
qд.н. = mчас/p = 1062,5 г/ч : 1130 г/ч ~ 0,94 л/ч
Таким образом, при расходе воды по основной магистрали 10 м3/ч для поддержания дозы свободного хлора 8,5 мг/л необходимо дозировать 0,94 л/ч рабочего 8%-ного раствора NaClO.
При круглосуточной работе расход рабочего 8%-ного раствора гипохлорита натрия составит 17,5 л/сут. Следует учитывать, что объем расходной емкости для раствора гипохлорита натрия не должен превышать семидневный запас реагента, и помнить, что гипохлорит натрия нестоек, его концентрация постепенно снижается. В нашем случае предпочтительным вариантом является использование расходного бака объемом 100 л, что позволит готовить раствор примерно один раз в шесть су-ток.
Остается только рассчитать, сколько необходимо взять товарного раствора (190 г хлора на 1 л), для того чтобы получить 100 л рабочего 8%-ного раствора.
Дано: товарный раствор гипохлорита натрия w1Cl2 = 15%; плотность товарного раствора pтов = 1260 г/л.
Нужно получить: 100 л рабочего раствора (V2) гипохлорита натрия w1Cl2 = 8%; плотность рабочего раствора pраб = 1130 г/л.
1. Вычисляем массу раствора, который следует приготовить:
m2 = V2 × pраб = 100 (л) × 1130 (г/л) = 113000 (г)
2. Рассчитываем, сколько хлора находится в этом растворе:
m2Cl2 = (m2 × w2&supCl2;) / 100 = (113000 × 8%) / 100 = 9040 (г)
То же количество хлора должно содержаться и в товарном растворе, т. е. m1Cl2 = m2Cl2 = 9040 г.
3. Определяем массу товарного раствора гипохлорита натрия с концентрацией 15%:
m1 = (m1Cl2 × 100) / w1Cl2 = (9040 × 100) / 15% ~ 60266 (г)
4. Вычисляем объем требуемого товарного раствора гипохлорита натрия: V1 = m1/p1 = 60266 (г) / 1260 (г/л) ~ 47,8 (л)
Таким образом, для приготовления 100 л рабочего 8%-ного раствора гипохлорита натрия необходимо взять примерно 48 л его товарного раствора.
