Предлагаемая статья – первая из двух публикаций, в которых в качестве конкретного примера рассматривается подбор комплекса пропорционального дозирования гипохлорита натрия в системе водоподготовки небольшого предприятия.

Условия задачи

Дано:

1. В исходной воде: концентраций железа общего - 5,0 мг/л и марганца - 0,5 мг/л; значение перманганатной окисляемости - 6,0 мг О₂/л; землистый запах (2 балла); значение pH - 6,5.

2. После системы водоподготовки вода поступает в два подземных резервуара объемом по 250 м³.

3. Расчетный расход системы водоподготовки составляет 10 м³/ч.

4. Давление перед системой водоподготовки 5 бар.

Требуется:

Подготовить воду, поступающую из подземного источника до требований СанПиН 2.1.4.559-96 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды систем питьевого водоснабжения. Контроль качества».

Решение:

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. Продолжительность 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, и чаще всего требует 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 технологических 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:

Разумеется, эта величина является ориентировочной и будет скорректирована при пусконаладочных работах.

Для первичного хлорирования будет использоваться гипохлорит натрия NaClO (ГОСТ 11086-76) марки А, который разрешен для обеззараживания питьевой воды, дезинфекции и отбелки. Это жидкость зеленовато-желтого цвета с содержанием 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

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 несовершенством дозаторов реагента. 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), политетрафторэтилена 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 широко представлены на российском рынке, для своего оборудования с проточной частью из полипропилена называют цифру до 12–14%. Однако опыт эксплуатации таких насосов показывает, что уплотнения из EPDM абсолютно несовместимы с гипохлоритом натрия с концентрацией по активному хлору выше 2%. Кроме того, точность дозирования насосов с проточной частью, выполненной из полипропилена, 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 концентрацией 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 уплотнений Viton – полностью совместим с любыми концентрациями гипохлорита натрия при температурах рабочего раствора до 40°С. 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 не умягченную 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: η= 8% (90 г активного хлора в литре). Плотность рабочего раствора: ρ = 1130 г/л. Расход воды по основной магистрали: Q_час = 10000 л/ч.

Тогда:

n_8% = (n_100% × 100%) / η = (8,5 мг/л × 100%) / 8% = 106,25 мг/л →

m_час = (n_8% × Q_час) / 1000 = (106,25 мг/л × 10000 л/ч) / 1000 = 1062,5 г/ч →

qд.н. = m_час/ρ = 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 суток.

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 w₁^Cl₂ = 15%; плотность товарного раствора ρ_тов = 1260 г/л.

Требуется: получить 100 л рабочего раствора (V₂) гипохлорита натрия w₂^Cl₂ = 8%; плотность рабочего раствора ρ_раб = 1130 г/л.

1. Вычисляем массу раствора, который следует приготовить:

m₂ = V₂ × ρ_раб = 100 (л) × 1130 (г/л) = 113000 (г);

2. Рассчитываем количество хлора, находящегося в этом растворе:

m₂^Cl₂ = (m2 × w2&supCl2;) / 100 = (113000 × 8%) / 100 = 9040 (г);

3. То же количество хлора должно содержаться и в товарном растворе, т. е.:

m₁^Cl₂ = m₂^Cl₂ = 9040 г.

4. Определяем массу товарного раствора гипохлорита натрия с концентрацией 15%:

m₁= (m₁^Cl₂ × 100) / w₁^Cl₂ = (9040 × 100) / 15% ≈ 60266 (г);

5. Вычисляем объем требуемого товарного раствора гипохлорита натрия:

V₁ = m₁/ρ₁ = 60266 (г) / 1260 (г/л) ≈ 47,8 (л)

Таким образом, для приготовления 100 л рабочего 8%-ного раствора гипохло-рита натрия необходимо взять примерно 48 л его товарного раствора.

Подбор комплекса дозирования системы водоснабжения требует от проектировщиков серьезной инженерной проработки, глубокого знания номенклатуры дозирующих насосов и их комплектующих, умения работать со справочной литературой.