Как секция с горизонтальным потоком снизила мутность отстаиваемой воды с 6,15 до 1,3 NTU — пример полномасштабной-модернизации трубчатого отстойника

Окружная водопроводная станция, построенная в 1989 году. Сырая вода при температуре 0–5 градусов пять месяцев в году. Лечебный поезд, который не смог сломать 3 НТУ.Инженеры завода внесли одно конструктивное изменение в свой отстойник с наклонными трубами -, добавив секцию ректификации горизонтального потока, занимающую всего 1/3 длины резервуара -, и наблюдали, как мутность отстоявшейся воды упала с 6,15 NTU дониже 2 NTU в течение 72 часов после запуска. Три года спустя система все еще работала.1,3 НТУ в среднемс нулевой модификацией корпуса танка. Если вы используете отстойник с наклонной трубкой, который плохо работает в холодной воде или выдерживает ударные нагрузки, этот практический пример показывает, как именно работает исправление - и почему это проще, чем вы думаете.

Задача: новые стандарты, старое предприятие, холодная вода

Когда законом меньше или равно 1 NTU, а ваш завод был построен менее чем за 3 NTU

Уездная водопроводная станция расположена на севере провинции Шэньси, в регионе, где зимой температура воды обычно опускается до0–5 градусова мутность сырой воды колеблется от 15 до 77 NTU в зависимости от сезона. Установка была введена в эксплуатацию в 1989 году и использовала традиционный процесс: флокуляцию со складчатыми-тарелками, седиментацию в наклонных трубах и гравитационные бесклапанные фильтры. Две параллельные линии, производительностью 6 000 м³/сутки каждая, общей производительностью 12 000 м³/сутки. В течение двух десятилетий этого было достаточно. Готовая вода имела содержание около 3 NTU -, приемлемое по старому стандарту.

Потом правила изменились. Новые стандарты санитарии питьевой воды подняли планку с Менее или равной 3 NTU доМеньше или равно 1 NTU. Существующий процесс не смог устранить этот разрыв. Водопроводная станция столкнулась с решением, с которым рано или поздно сталкивается каждая стареющая станция:снести и перестроить или модернизировать в пределах существующей площади. Последнее было единственным реальным вариантом. Очистные сооружения были размещены внутри помещений для теплоизоляции -, что было необходимостью в климате северной провинции Шэньси, где резервуары на открытом воздухе могли замерзнуть. Снос стен ради расширения не стоял на повестке дня. Им нужно было улучшить то, что у них было.

Цель: увеличить производительность одной-линии с 6000 м³/сутки до10,000 m³/d(общая производительность установки: 16 000 м³/сут) с мутностью отстоявшейся воды постоянно ниже 3 NTU, что дает фильтрам шанс на борьбу с потребностью в конечной-воде менее или равной 1 NTU.

Стратегия модернизации: три обновления, один принцип

Инженерная бригада не прикоснулась к корпусу танка. Они изменили процесс внутри него, превратив старую систему «флокуляция со складчатыми-пластинчатыми пластинами + седиментация в наклонных трубках + гравитационный бесклапанный фильтр» в«контактная флокуляция + улучшенный отстойник с наклонной трубкой + гравитационный бесклапанный фильтр». Три обновления привели к трансформации:

1. Много-трубчатый смеситель заменяет трубчатый статический смеситель.

Оригинальный трубчатый статический миксер делал одно: смешивал. Сменный многоламповый миксер-выполняет одновременно три задачи:резка и разделение потока, обратный рефлюкс и быстрое перемешивание. Когда вода проходит через много-трубную геометрию, в пограничном слое стенки трубы образуются высокочастотные вихревые токи. Эти вихри создают микро-зоны интенсивного сдвига, которые равномерно распределяют коагулянт по всему поперечному сечению потока-за считанные секунды. Измеренная эффективность смешивания превышает94%, а потери напора ниже, чем у исходного статического смесителя -. Это необычная комбинация, которая означает лучшее перемешивание с меньшими затратами энергии.

Практическая польза:Экономия химикатов 20–30 %по сравнению с оригинальным смесителем, с лучшей адаптируемостью к изменениям расхода и качества воды. Для предприятия, на котором мутность сырой воды сезонно колеблется от 15 до 77 NTU, такая адаптивность имеет значение.

2. Сетчатая флокуляция со звездчатыми-лопастями заменяет сложенную-пластинчатую флокуляцию.

Флокуляция складчатых-пластин работает за счет пропускания воды по извилистому пути между параллельными пластинами. Это создает турбулентность, но не того типа. В улучшенной конструкции используетсязвездообразные-лопастимонтируется перпендикулярно направлению потока внутри ячеек решетки. Эти лопасти создают высокочастотные микро-вихри - турбулентность такого масштаба, который способствует столкновению частиц без разделения уже сформировавшихся хлопьев.

Флокуляционный резервуар разделен на11 отделенийна двух стадиях реакции. 1 этап: 8 отсеков размером 1,5х1,5 м каждый, время выдержки 8,95 минут. 2-й этап: 3 отсека размером 1,5 м × 2,0 м каждый, время выдержки 4,48 минуты. Общее время гидравлического удержания:13,43 минутыпри значении GT 1,7 × 10⁴. Двухступенчатая конструкция создает более плотные,-устойчивые к сдвигу хлопья, чем одноэтапная-флокуляция -, что является решающим преимуществом, когда эти хлопья позже попадают в зону распределения трубчатого отстойника, где чрезмерная турбулентность может их разбить.

3. Ключевое новшество: секция ректификации горизонтального потока перед трубчатым отстойником.

Именно здесь модернизация отличается от стандартной практики и здесь был достигнут наибольший прирост производительности. Традиционный отстойник с наклонной трубкой получает воду непосредственно из выпускного отверстия флокуляционного резервуара. Переход резкий: вода переходит из турбулентного смешанного-режима течения в ламинарный режим отстаивания без промежуточного кондиционирования. Результатнеравномерное распределение потокапоперек пучка труб. Некоторые каналы видят высокую скорость и смывают хлопья прямо насквозь. Другие видят низкую скорость и накапливают ил. Оба условия ухудшают качество сточных вод.

В ходе модернизации были добавлены два элемента, которые решают эту проблему:

Погружная перегородка на выходе из флокуляционного резервуара.Вместо того, чтобы вода сбрасывалась непосредственно в зону распределения, она сначала течет через затопленную плотину, которая действует как выпрямитель потока, - сглаживая градиенты скорости и рассеивая крупномасштабные-турбулентности, прежде чем вода попадет в отстойник.

Горизонтальная проточная часть, занимающая 1/3 общей длины резервуара (24 м²).Это инновация. После прохождения плотины вода попадает в горизонтальную-зону потока, а затем поднимается по наклонным трубам. Направляющие стенки как в горизонтальной секции, так и в наклонной секции трубы контролируют путь потока. Горизонтальная зона выполняет одновременно три функции: снижает скорость горизонтального потока до12,73 мм/с(в пределах диапазона 10–18 мм/с, который, как показывают исследования, имеет решающее значение для стабильного осаждения), он обеспечивает дополнительное время осаждения более крупных хлопьев и действует как гидравлический буфер, который поглощает колебания потока до того, как они достигнут пучка труб.

В распределительной стене в конце переходной секции используетсяперфорация с более широким интервалом вверху и более узким интервалом внизу. Такое противо-интуитивное расположение является преднамеренным: оно компенсирует естественную тенденцию воды к короткому замыканию-к верху зоны распределения, обеспечивая более равномерное вертикальное распределение потока по всей высоте пучка труб.

Почему работает секция с горизонтальным потоком: инженерное обоснование

Проблема традиционных отстойников с наклонными трубками заключается не в самих трубах. Вот что происходитпрежде чем вода достигнет их. Исследования выявили четыре параметра, которые определяют однородность распределения потока в трубчатых отстойниках: соотношение длины резервуара-к-ширине (L/B), скорость поверхностной нагрузки (q), диаметр труб (D) и высота зоны распределения под трубками.

Из нихНаибольшее влияние оказывают соотношение L/B и поверхностная нагрузка (q).. По мере увеличения отношения L/B распределение потока становится более неравномерным-, и критическая скорость осаждения - (минимальная скорость, при которой оседает частица заданного размера -) возрастает. Поверхностная нагрузка (q) примерно пропорциональна критической скорости осаждения: если протолкнуть больший поток через ту же площадь, то для улавливания тех же частиц потребуется более высокая скорость осаждения. Оба эффекта отрицательно влияют на качество сточных вод.

Традиционные трубчатые отстойники также страдают от проблемы с перфорированными-стенками. Для достижения равномерного распределения в перфорированной стенке на входе требуются отверстия меньшего размера, чем в отстойнике с горизонтальным -поточным потоком -, что означаетболее высокие скорости отверстия. Струи с высокой- скоростью, проходящие через эти отверстия, разбивают хлопья, на создание которых флокуляционный резервуар потратил всего 13 минут. Хуже того, струи могут взбалтывать мертвый ил, отложившийся на дне зоны распределения, повторно-взвешивая уже осевшие твердые частицы.

Секция горизонтального потока решает эту цепочку проблем в корне. Добавляя 1/3 длины резервуара в виде зоны горизонтального-потока перед наклонными трубками, конструкция достигает четырех целей:

Параметры конструкции: цифры, стоящие за модернизацией

В наклонной секции трубы используетсяпротивоток-ток- вода поднимается вверх по трубкам, а твердые частицы скользят вниз по наклону 60 градусов. Трубки изготовлены из сополимера этилена-пропилена (EPC) с сотовым шестиугольным поперечным-сечением, диаметром 30 мм, длиной 1 м. EPC был выбран вместо стандартного ПВХ или ПП из-за его превосходных характеристик в холодной воде: он сохраняет гибкость и ударопрочность при температурах, когда жесткий ПВХ становится хрупким.

Для сбора осадка используются большие гравитационные бункеры с более крутым углом наклона, чем у обычных небольших бункеров, что обеспечивает тщательное удаление осадка с минимальным локальным нарушением потока. Клапаны для слива осадкаручной-электрический, быстрого-типа открывания- – практичный выбор, в котором надежность и простота обслуживания отдаются предпочтение перед полной автоматизацией. Меньше устройств, меньше отказов, меньше стоимость.

Результаты: снижение на 4 NTU за 3 дня, на 1,3 NTU через 3 года.

72-часовой пробный запуск: немедленный разрыв в производительности

Трех-непрерывное испытание проводилось с 15 по 17 октября 2011 г., при этом поток притока контролировался на уровне750 m³/h. На заводе одновременно на протяжении всего испытания отбирались пробы сырой воды, стоков из немодифицированного традиционного трубчатого отстойника (параллельная линия) и стоков из улучшенного трубчатого отстойника.

Результаты были однозначными. Мутность стоков улучшенного отстойника составилаболее чем на 4 NTU нижечем традиционный дизайн во всех точках отбора проб. Разрыв был постоянным и немедленным - без перерывов-в периоде, никакой настройки не требовалось. Качество сточных вод с первого дня соответствовало проектным ожиданиям, что существенно снизило нагрузку на фильтр на выходе.

Удаление TOC: улучшение на 6,08% по сравнению с традиционным дизайном

Мутность и органическое вещество тесно связаны в поверхностных водах - те же частицы, которые рассеивают свет, также несут адсорбированное природное органическое вещество (NOM). В ходе испытаний на заводе измеряли TOC в сточных водах обоих процессов осаждения. ТОС сырой воды был стабильным на уровне2,5–3,0 мг/л.

Улучшение удаления TOC на 6 % может показаться скромным, но при очистке питьевой воды удаление органических веществ на стадии осаждения напрямую снижает потенциал образования побочного продукта дезинфекции (DBP) в дальнейшем. Каждый миллиграмм TOC, удаленный перед хлорированием, представляет собой миллиграмм, который не образует тригалометанов (THM) или галогенуксусных кислот (HAA) в системе распределения.

Трех-годовая проверка: цифры верны

Модернизация была введена в эксплуатацию 15 апреля 2012 года. За три года непрерывной работы станция регулярно брала пробы мутности отстоявшейся воды как с модернизированной линии, так и с немодифицированной параллельной линии. Данные наглядно демонстрируют устойчивую производительность:

Среднее значение отстоянной воды 1,3 NTU – это число, которое имеет наибольшее значение. Подавая в фильтры воду с концентрацией 1,3 NTU вместо 2,3 NTU, улучшенный отстойник снизил загрузку фильтра примерно на43%. Это означает более длительную работу фильтра между обратными промывками, меньший расход воды для обратной промывки и - критически - очищенную воду, которая может надежно соответствовать стандарту менее или равного 1 NTU. Фильтр, получающий 2,3 NTU отстоянной воды, имеет очень небольшой запас для достижения 1 NTU готовой воды. Фильтр, принимающий отстоянную воду 1,3 NTU, имеет простор для работы.

Что это значит для вашего растения

Этот практический пример показывает, что неэффективный отстойник с наклонной трубкой не требует замены. Проблема редко заключается в самих трубках -, проблема заключается в том, что происходит в зоне распределения до того, как вода достигнет их. Принципы модернизации могут быть переданы:

1. Если мутность отстоявшейся воды непостоянная, сначала проверьте распределение потока.Неравномерный поток через пучок труб является наиболее распространенной причиной изменения производительности отстойников с наклонными трубками. Погружная перегородка на выходе флокуляции и перфорированная распределительная перегородка с градуированным расстоянием между отверстиями — это недорогие-решения, позволяющие решить эту проблему у источника.

2. Если обрабатывать холодную воду (<5°C), add a horizontal flow section.Холодная вода образует слабые хлопья, которые не могут выдержать турбулентность на входе традиционного трубчатого отстойника. Секция горизонтального потока обеспечивает переходную зону с низкой-энергией, где эти хрупкие хлопья могут оседать, не разделяясь на части.

3. Если качество сырой воды колеблется в зависимости от сезона, увеличьте буфер зоны распределения.Способность горизонтальной секции поглощать ударные нагрузки — это не очень хорошо--иметь -, это разница между стабильными сточными водами и сезонными жалобами на качество воды. Распределение 1/3 длины резервуара, используемое в этом проекте, является хорошей отправной точкой для проектирования.

4. Материал труб имеет значение в холодном климате.Трубы EPC, выбранные для этого проекта, сохраняют гибкость при температурах, когда жесткий ПВХ становится хрупким. Если температура сырой воды в течение длительного времени падает ниже 5 градусов, обсудите выбор материала трубок со своим поставщиком. Стандартные ПВХ и ПП имеют разные условия эксплуатации при низких-температурах.

5. Улучшение удаления TOC на 6% стоит больше, чем кажется.При очистке питьевой воды органические вещества, удаленные перед дезинфекцией, исключают возможность образования ДБФ. Улучшение TOC на 6,08% на стадии осаждения означает заметное снижение образования THM и HAA на выходе -, что является преимуществом соблюдения нормативных требований, которое усугубляется на протяжении всего срока службы установки.

Описанная здесь модернизация увеличила производительность очистки на 33% (с 12 000 до 16 000 м³/сут) при той же площади резервуара, одновременно улучшая качество сточных вод. Эта комбинация -больше воды, лучше вода, то же здание- — это то, что делает концепцию выпрямления горизонтального потока заслуживающей внимания для любой устаревшей водоочистной станции, отвечающей более строгим стандартам.