Расчет дозы и расхода реагентов для водоподготовки

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:

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 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

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	1010	170	11,0	1240
80	6,5	1020	180	11,5	1250
90	7,0	1030	190	12,0	1260
100	7,5	1050	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 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.