RU2424196C2

RU2424196C2 - Способ коагуляции и осаждения

Info

Publication number: RU2424196C2
Application number: RU2009134043/05A
Authority: RU
Inventors: Хисааки ОТИАЙ (JP); Хисааки ОТИАЙ
Original assignee: Хисааки ОТИАЙ
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2011-07-20
Also published as: RU2009134043A

Abstract

Изобретение может быть использовано для очистки речной, дождевой и сточной воды технологических установок. Способ коагуляции и осаждения для обработки воды включает стадию микрофлоккуляции, на которой происходит предварительная микрофлоккуляция тонкодисперсных взвешенных частиц в подлежащей обработке воде, стадию флоккуляции для укрупнения микрохлопьев и стадию осаждения для отделения хлопьев. Заключительный этап стадии флоккуляции предусмотривает использование хлопьеобразующих наклонных пластин с шагом от 5 мм до 50 мм. В способе используют такое количество неорганического коагулянта, чтобы мутность обрабатываемой воды после прохождения наклонных пластин составляла 4/5 или менее по сравнению с мутностью до прохождения наклонных пластин. Способ обеспечивает использование меньшего количества неорганического коагулянта, чем при обычной технологии, а также позволяет снизить количество образующегося осадка, при этом остающиеся микрохлопья имеют большую плотность и меньший размер, что позволяет получить чистую воду лучшего качества. 13 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относится к способу коагуляции примесей с их последующим осаждением, предназначенному для обработки воды, в котором неорганический коагулянт вводят в воду, такую как речная вода, дождевая вода и сточная вода технологических установок, подлежащую обработке на стадии микрофлоккуляции с целью укрупнения содержащихся в подлежащей обработке воде тонкодисперсных взвешенных частиц с образованием микрохлопьев и на стадии флоккуляции, на которой микрохлопья, контактируя с имеющимися хлопьями, объединяются с ними, вследствие чего хлопья, образовавшиеся на этих стадиях флоккуляции, осаждаются и отделяются в отстойнике с получением воды, обработанной способом осаждения.

Способ коагуляции и осаждения для обработки воды уже используется как предварительная обработка при фильтрации песка. В настоящем способе коагуляции и осаждения в подлежащую обработке воду вводят неорганический коагулянт с целью укрупнения тонкодисперсных взвешенных частиц, содержащихся в подлежащей обработке воде, с получением хлопьев диаметром, делающим возможным их осаждение и отделение, то есть осуществление осаждения и отделения хлопьев под действием силы тяжести.

Установки коагуляции с осаждением можно приблизительно разделить на обычные системы и отстойники быстрой коагуляции с последующим осаждением, а последнюю категорию далее можно разделить на системы с циркулирующей суспензией и системы с взвешенным слоем осадка. Однако эти системы не отличаются друг от друга в том, что осаждение и разделение осуществляется посредством стадии микрофлоккуляции взвешенных частиц и стадии флоккуляции микрохлопьев.

Кроме того, поиск типов и определение количества коагулянтов и коагулирующих агентов, вызывающих образование хлопьев с большим диаметром, до сих пор составляли главную техническую трудность для обычных способов коагуляции с осаждением.

В основе существующих способов коагуляции с осаждением лежит следующее общее уравнение, предложенное Smoluchowski.

dN/dt=αβn _i ·n _j(Уравнение 1),

где N означает число тонкодисперсных взвешенных частиц и микрохлопьев в единице объема; α означает эффективность соударения, выражающую эффективность образования осадка при соударении двух частиц, и изменяется в зависимости от присутствующего неорганического коагулянта; β означает частоту соударения двух частиц; n_i - число частиц, перемещающихся через единицу объема; n_j - число частиц, присутствующих в единице объема.

Кроме того, dN/dt, выражаемое приведенным выше общим уравнением, указывает скорость снижения количества тонкодисперсных взвешенных частиц в единице объема, которая представляет собой скорость образования хлопьев.

В связи с этим существующая теория коагуляции, основанная на приведенном выше уравнении Smoluchowski, была истолкована так, что, например, как описано в Непатентном документе 1, в обычном способе стадия укрупнения разделена на две стадии, а именно стадию микрофлоккуляции, на которой нейтрализуется заряд тонкодисперсных взвешенных частиц, содержащихся в подлежащей обработке воде, и эти взвешенные частицы укрупняются с образованием микрохлопьев, диаметр которых составляет приблизительно 3,0 мкм, зависящую от броуновского движения, и стадию флоккуляции, на которой происходит укрупнение микрохлопьев с диаметром 3,0 мкм или более в хлопья, которые могут отстаиваться и быть отделены, зависящую от того, является ли принудительное перемешивание интенсивнее заданного уровня или нет.

Однако, с другой стороны, в Непатентном документе 2 сообщается, что при сильном и быстром перемешивании хлопья разрушаются. Кроме того, под влиянием положения, что хлопья разрушаются сдвиговыми усилиями в результате повреждения поверхности хлопьев, на стадии формирования хлопьев принято использовать медленное перемешивание с относительно более низкой интенсивностью.

В действительности отстойники быстрой коагуляции с последующим осаждением были разработаны преимущественно в США. Однако, как указывалось выше, под влиянием положений Непатентного документа 2 на стадии микрофлоккуляции в них использовали перемешивание потоком воды с более низкой интенсивностью перемешивания.

С другой стороны, как показано в Непатентном документе 3, уравнение Smoluchowski указывает на то, что повышение частоты соударений β, то есть повышение интенсивности перемешивания, является эффективным с точки зрения укрупнения. Был проведен эксперимент, в котором использовался, например, отстойник быстрой коагуляции с осаждением, относящийся к типу систем с взвешенным слоем осадка, и было осуществлено быстрое повышение интенсивности перемешивания. Однако в ходе этого эксперимента пришли к заключению, что если сильное перемешивание на стадии микрофлоккуляции проводить в течение длительного времени, то есть если повысить величину G_R, представляющую собой интенсивность быстрого перемешивания, и величину T_R, представляющую собой время быстрого перемешивания, исходные хлопья разрушаются, в результате увеличивается мутность обрабатываемой осаждением воды, что соответствует изложенному при описании обычных экспериментов. Как следствие, описанная выше система быстрого перемешивания используется редко.

Как было указано, в ответ на до сих пор существующее требование повышения качества фильтрованной воды при коагуляции и осаждении, осуществляемых в качестве предварительной обработки, используют режим, который в значительной степени определяется необходимостью повышения расхода вводимых на стадии предварительной обработки неорганических коагулянтов с целью ускорения укрупнения взвешенных частиц и подавления разрушения хлопьев. В частности, при эксплуатации отстойника быстрой коагуляции, в котором не осуществляется быстрого перемешивания, расход вводимых неорганических коагулянтов увеличен настолько, что не остается возможности оперативного регулирования.

Однако описанный режим, жестко зависящий от увеличенного расхода вводимых неорганических коагулянтов, дает в значительной степени удовлетворительные результаты в отношении осаждения, но связан с другими техническими трудностями на стадии фильтрации и удаления осадка, следующей за осаждением.

Более конкретно, при повышении расхода вводимых неорганических коагулянтов микрохлопья, перемещающиеся в фильтрационный резервуар, становятся комковатыми и менее плотными, кроме того, в обработанной осаждением воде из-за увеличившегося объема хлопьев увеличивается остаточное количество флоккул и агломератов. В результате возникает проблема, выражающаяся в необходимости чаще промывать фильтрационный резервуар.

Кроме того, что касается удаления осадка, при увеличении количества неорганических коагулянтов также возрастает количество образующегося донного осадка, который характеризуется пониженной концентрацией и дегидратацией, что затрудняет удаление такого осадка.

Фундаментальной причиной проблем, присущих описанным выше традиционным технологиям, является то, что несмотря на тот факт, что коагуляцию, осаждение, фильтрацию и удаление осадка осуществляют в рамках интегрированной системы, используют такой режим работы этой системы, при котором, по существу, не уделяется внимания оптимизации фильтрации или удаления осадка, но делается основной упор на образование хлопьев увеличенного диаметра с целью оптимизации осаждения; более конкретно, беспокоясь о повышении мутности воды, обработанной способом осаждения, связанной с разрушением хлопьев, выбирают чрезвычайно неэффективный способ укрупнения с пониженной интенсивностью перемешивания и не уделяют внимания организации высококачественной фильтрации, составляющей стадию последующей обработки.

Принимая во внимания описанное выше положение дел, в Патентном документе 1 было предложено использовать множество резервуаров с быстрым перемешиванием, расположенных последовательно, где в первом резервуаре принят более низкий предел интенсивности перемешивания, тогда как во втором и последующих резервуарах предел интенсивности перемешивания выше, а неорганический коагулянт вводят дробно в каждый из резервуаров с быстрым перемешиванием, тем самым повышая эффективность разделения частиц и снижая концентрацию остаточного неорганического коагулянта (ссылаясь на пункт 6 и относящееся к пункту 6 описание).

Однако в описанной системе, предложенной в Патентном документе 1, указанные эффекты достигаются в недостаточной степени, поскольку интенсивность перемешивания во втором и последующих резервуарах ограничена более необходимого. Кроме того, нет обязательного регулирования количества подаваемого неорганического коагулянта, или критерии такой регулировки не установлены. Таким образом, нельзя не прийти к заключению, что указанные эффекты достигаются неэффективным образом.

В Патентном документе 2 описан способ, состоящий в использовании полого контактного слоя, обеспечивающего отделение микрохлопьев, характеризующихся меньшим размером и большей плотностью. Однако из-за того, что этот слой очень быстро забивается удерживаемыми им микрохлопьями, его необходимо промывать, поэтому такой слой не применим для обработки осаждением, которая является преимущественно непрерывной.

Более конкретно, образование микрохлопьев меньшего размера и большей плотности может частично способствовать снижению концентрации остаточных неорганических коагулянтов, но не способно удовлетворить принципиальное техническое требование непрерывной обработки. Таким образом, нельзя не прийти к выводу, что описанный выше способ как способ коагуляции и осаждения для обработки воды страдает неустранимыми недостатками.

В Непатентном документе 4 указано, что вместо обычного способа коагуляции, характеризующегося низкой интенсивностью перемешивания и высоким расходом вводимых неорганических коагулянтов, при котором хлопья легко просачиваются из слоя песка, является предпочтительным использовать способ коагуляции с более высокой интенсивностью перемешивания и более низким расходом неорганических коагулянтов. Однако образующиеся таким образом хлопья имеют меньший размер и большую плотность, поэтому в прошедшей обработку осаждением воде остается большое количестве микрохлопьев. Тем не менее, поскольку ничего конкретного об отделении этих микрохлопьев не говорится, нельзя не расценить этот способ как технически несовершенный.

Помимо оценки отдельных известных технических документов, при проведении коагуляции и осаждения с целью очистки воды на заключительной стадии флоккуляции, или на заключительной стадии этого способа, или на промежуточной стадии предусматривается использование хлопьеобразующей наклонной пластины, содействующей флоккуляции микрохлопьев. Однако считается, что наклонная пластина вносит лишь дополнительный вклад в процесс хлопьеобразования. На самом деле, до сих пор не было предложено технической идеи совершенной реализации возможностей хлопьеобразования, которые присущи хлопьеобразующей наклонной пластине.

Действительно, в Непатентном документе 4 описана наклонная пластина, однако совсем не раскрыта или не предложена упомянутая выше техническая идея.

(Патентный документ 1) Опубликованная нерассмотренная патентная заявка Японии №2007-203133.

(Патентный документ 2) Опубликованная нерассмотренная патентная заявка Японии №Н06-304411.

(Непатентный документ 1) Norihiro Tanbo: Basic Research on Coagulation System in Water Treatment c (1) по (4) (Фундаментальные исследования систем коагуляции для обработки воды), Journal of Japan Industrial Water Association, №361, 363, 365 и 367 (1964. 10, 1964. 12, 1965. 2, 1965. 4).

(Непатентный документ 2) Committee Report: Capacity and Loadings of Suspended Solids Contact Units (Отчет комиссии: Производительность и засорение установок, контактирующих со взвешенными твердыми частицами), J. AWWA, апрель 1951.

(Непатентный документ 3) Shogo Thunoda и Katsuyuki Kataoka: Research on Slurry Blanket-Type Rapid Coagulation Sedimentation Plant (2), Effects of Coagulation and Agitation Conditions on Slurry Blanket Layer (Исследование установок быстрой коагуляции с последующим осаждением типа «со взвешенным слоем осадка», влияние условий коагуляции и перемешивания на взвешенный слой осадка), Journal of Japan Industrial Water Association, №133, стр. 39-47, 1969, 10.

(Непатентный документ 4) Design Guide of Water Works (Руководство по проектированию водопроводных сооружений), the Japan Water Works Association, издан в 2000 г.

Принимая во внимание описанные выше традиционные технологии, целью настоящего изобретения является обеспечение способа коагуляции и осаждения для обработки воды, в котором для оптимизации системы очистки воды в целом, включая фильтрацию и удаление осадка, являющиеся стадиями последующей обработки, полностью используются присущие хлопьеобразующей наклонной пластине возможности хлопьеобразования как способ коагуляции и осаждения с целью ускорения флоккуляции, а также для выявления этих функций хлопьеобразующией наклонной пластины, неорганический коагулянт используется в более ограниченном масштабе, чем при обычных технологиях, в результате остающиеся микрохлопья и хлопья имеют большую плотность и меньший размер, таким образом, становится возможным получать очищенную воду лучшего качества, а также снизить количество образующегося осадка.

Для достижения указанной цели пункт 1 настоящего изобретения заключается в способе коагуляции и осаждения для обработки воды, включающем стадию введения неорганического коагулянта, на которой в подлежащую обработке воду вводят неорганический коагулянт, стадию микрофлоккуляции, на которой подлежащую обработке воду, в которую введен неорганический коагулянт, перемешивают в резервуаре быстрого перемешивания для достижения предварительной микрофлоккуляции в подлежащей обработке воде тонкодисперсных взвешенных частиц, стадию флоккуляции, состоящую из стадии, на которой микрохлопья далее укрупняются при контакте с имеющимися в отстойнике хлопьями, и стадии осаждения, на которой обеспечивается осаждение и отделение хлопьев в отстойнике, где как заключительный этап стадии флоккуляции предусмотрено использование хлопьеобразующей наклонной пластины с шагом от 5 мм или более до 50 мм или менее, а также на этапе после стадии микрофлоккуляции используется ограниченное количество неорганического коагулянта, так что мутность обрабатываемой воды после прохождения наклонной пластины составляет 4/5 или менее по сравнению с мутностью до прохождения наклонной пластины.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:

Фиг.1 представляет собой структурную схему, отражающую основную идею настоящего изобретения при использовании системы со взвешенным слоем осадка.

Фиг.2 представляет собой структурную схему, на которой показан вариант осуществления изобретения, включающий резервуар накопления с контактной средой, при использовании системы со взвешенным слоем осадка.

Фиг.3 представляет собой структурную схему, на которой показан вариант осуществления изобретения с использованием резервуара медленного перемешивания на основе обычной системы, а наклонные пластины для хлопьеобразования предусмотрены на двух этапах, то есть возле входного отверстия и выходного отверстия отстойника 21.

Фиг.4 представляет собой структурную схему, на которой показан вариант осуществления изобретения с использованием резервуара медленного перемешивания на основе обычной системы.

Фиг.5 представляет собой вид в поперечном разрезе, на котором показана ситуация, когда подлежащая обработке вода образует завихряющийся поток у нижнего конца хлопьеобразующей наклонной пластины между наклонными пластинами, затем, двигаясь вверх, образует турбулентный поток.

В настоящем изобретении, которое относится к описанной выше концепции, хлопьеобразующая наклонная пластина выполняет функцию образования хлопьев так, что мутность обрабатываемой воды после прохождения наклонной пластины может составлять 4/5 или менее по сравнению с мутностью до прохождения наклонной пластины, причем эта функция реализуется не только путем простой установки шага от 5 до 50 мм, но также путем ограничения количества неорганических коагулянтов, используемых на стадии микрофлоккуляции. В результате микрохлопья, остающиеся в чистой воде, имеют меньший размер и большую плотность по сравнению с аналогичными параметрами при использовании обычной технологии, таким образом, становится возможным получить очищенную воду лучшего качества. Также возможно уменьшить количество образующегося в результате использования неорганического коагулянта осадка, а также удалять осадок с меньшими трудностями вследствие уменьшения его количества.

Сначала приводится описание принципа основной концепции.

В настоящем изобретении уделено внимание хлопьеобразующей функции хлопьеобразующей наклонной пластины 8, имеющей существенное значение. Как показано на фиг.5, хлопьеобразующая функция наклонной пластины 8 заключается в том, что когда подлежащая обработке вода 1 подходит к нижней части хлопьеобразующей наклонной пластины, в ней формируются завихряющиеся потоки, а турбулентные потоки формируются в области, расположенной выше нижней части, во внутреннем пространстве между пластинами, как следствие завихряющегося течения.

Повышается вероятность или частота соударения микрохлопьев и взвешенных частиц, которые не осели в отстойнике 21, друг с другом благодаря описанным завихряющимся потокам и турбулентным потокам, следовательно, ускоряется флоккуляция.

В настоящем изобретении шаг хлопьеобразующих наклонных пластин 8 ограничен диапазоном от 5 до 50 мм.

Далее описаны основания такого ограничения. То есть шаг очень мал, и если он составляет менее 5 мм, принимая во внимание скорость прохождения обрабатываемой воды 1, во внутреннем пространстве между хлопьеобразующими наклонными пластинами 8 с большей вероятностью образуется ламинарный поток, поэтому установлен нижний предел, равный 5 мм. С другой стороны, если шаг большой и превышает 50 мм, завихряющийся поток и турбулентный поток образуются в небольшой части потока воды в целом, поэтому, как описано выше, верхний предел установлен равным 50 мм.

Как указано в описании основной концепции, чтобы хлопьеобразующая наклонная пластина 8 выполняла функцию хлопьеобразования так, чтобы мутность воды до и после прохождения хлопьеобразующей наклонной пластины 8 составляла 1/2 или менее, флоккуляция не обязательно обеспечивается только путем установки шага в диапазоне от 5 до 50 мм.

Более конкретно, в отстойнике 21, до прохождения хлопьеобразующей наклонной пластины 8, доля частиц, образующихся в результате соударения между микрохлопьями или соударения микрохлопьев с существующими хлопьями, уменьшается, тогда как доля микрохлопьев, продвигающихся в пространство между хлопьеобразующими наклонными пластинами 8, или взвешенных частиц, которые не подверглись микрофлоккуляции, возрастает, и существует необходимость, чтобы хлопья подверглись флоккуляции путем взаимного соударения на наклонной пластине 8, упали с наклонной пластины 8 и осели в отстойнике 21. Таким образом, количество неорганического коагулянта, используемого на стадии микрофлоккуляции, вследствие этого должно быть ограничено меньшей величиной, чем заранее заданная.

Причина в том, что до этапа прохождения хлопьеобразующей наклонной пластины 8 в отстойнике 21 уже происходит флоккуляция, когда на стадии микрофлоккуляции неорганический коагулянт используют в большем количестве, вследствие этого уменьшается доля микрохлопьев, продвигающихся в пространство между хлопьеобразующими наклонными пластинами 8, или взвешенных частиц, которые не подверглись микрофлоккуляции, и на наклонной пластине 8 флоккуляция осуществляется с меньшей частотой.

Если вновь обратиться к описанию принципа настоящего изобретения в соответствии с уравнением Smoluchowski, описанным в разделе Уровень техники, то можно иначе выразить это уравнение, как показано ниже.

dN/dt=α(4GФ/π)·N (Уравнение 2),

где N означает число частиц (микрохлопьев или хлопьев) в единице объема; α означает эффективность соударения, определяемую влиянием неорганического коагулянта; G означает градиент скорости; Ф означает средний объем частиц (микрохлопьев или хлопьев) в единице объема.

Общее решение приведенного элементарного дифференциального уравнения можно выразить как N=Aexp(-kt) (однако при условии, что А означает число частиц (микрохлопьев или хлопьев) в единице объема на этапе, когда t=0 и k=α(4GФ/π).

Когда микрофлоккуляция завершена, как описано в настоящем документе, общее решение для ограничения использования неорганического коагулянта задается как N_a, и, как в обычной технологии, общее решение для использования неорганического коагулянта в большем количестве, чем при ограниченном использовании, задается как N'_a, α, означающая эффективность соударения, определяемую влиянием неорганического коагулянта, и Ф, означающая средний объем хлопьев или микрохлопьев в единице объема, соотносятся как N_a>N'_a при условии, что Ф'а, соответствующая N'_a, больше, чем Фа, соответствующая N_a.

С другой стороны, на этапе, когда подлежащая обработке вода 1 продвигается в отстойник 21 и проходит между хлопьеобразующими пластинами 8, как описано в настоящем документе, неорганический коагулянт используют в ограниченном количестве, а хлопьеобразующие пластины 8 устанавливают с малым шагом только для увеличения градиента скорости G, поскольку тогда в пространстве между наклонными пластинами 8 с большей вероятностью возникают завихряющиеся потоки и турбулентные потоки.

Более конкретно, в соответствии с настоящим изобретением по сравнению с обычной технологией, хотя величины α, эффективности соударений, и Ф, среднего объема, установлены меньшими, G, градиент скорости, на этапе, когда хлопья покидают хлопьеобразующую наклонную пластину 8, имеет большую величину. Таким образом, на этапе завершения микрофлоккуляции, даже если получено соотношение N_a>N'_a, основанное на соотношении величин α, Ф и G на этапе, когда хлопья проходят между хлопьеобразующими наклонными пластинами 8, где общее решение для использования хлопьеобразующих наклонных пластин 8, основанное на указанной в соответствии с настоящим изобретением величине шага, задается как N_b, а общее решение на этапе, когда хлопья проходят между хлопьеобразующими наклонными пластинами 8, как принято в обычной технологии, задается как N'_b, получается соотношение N_b≈N'_b, другими словами, возможно обеспечить состояние, когда N, число хлопьев и микрохлопьев, в конце концов образовавшихся с отстойнике 21, приблизительно равно числу хлопьев, получаемому при обычной технологии.

Однако, как описано выше, даже при приблизительно той же величине N числа хлопьев и микрохлопьев, образовавшихся в отстойнике 21, как описано применительно к настоящему изобретению, в соответствии с которым неорганический коагулянт используют в ограниченном количестве для образования хлопьев с большей интенсивностью, микрохлопья, остающиеся в чистой воде, характеризуются большей частотностью осаждения, таким образом, становится возможным получать чистую воду лучшего качества, а также уменьшить количество образующегося осадка, как уже было указано.

Микрохлопья с большей плотностью также могут быть образованы путем перемешивания в резервуаре перемешивания 10 с большей интенсивностью, чем заранее заданная.

В отношении воздействия быстрого перемешивания в варианте осуществления, соответствующем пункту 2, используется концепция, по которой стадия микрофлоккуляции имеет последовательное соединение, так что подлежащая обработке вода 1 может поочередно проходить через резервуар быстрого перемешивания 10, разделенный на два или более отделения, где осуществляется первая стадия введения коагулянта, на которой неорганический коагулянт вводят во всю или в часть подлежащей обработки воды 1, поступающей в первое отделение стадии микрофлоккуляции, и вторая стадия введения коагулянта, на которой неорганический коагулянт вводят во всю или часть подлежащей обработке воды 1, идущей из второго отделения стадии микрофлоккуляции на стадию флоккуляции, при этом количество вводимого коагулянта соответствующим образом регулируют на первой стадии введения коагулянта и на второй стадии введения коагулянта.

Далее принцип варианта осуществления по пункту 2 описан со ссылкой на общее решение уравнения Smoluchowski. Если неорганический коагулянт вводят только в количестве V в самом начале (на этапе, когда t=0), а осуществление стадии микрофлоккуляции не разделено на два или более отделения в отличие от описанной выше основной концепции, число частиц N₁₊₂ в единицу времени для среднего времени обработки на стадии микрофлоккуляции, задаваемого как t=t₁+t₂, может быть выражено как N₁₊₂=Аехр(-kt₁-kt₂).

С другой стороны, когда осуществление стадии микрофлоккуляции разделено на два или более отделения, как в описанной ранее основной концепции, и стадия введения неорганического коагулянта также разделена на первую стадию введения коагулянта и вторую стадию введения коагулянта, количество первого выражается как V-ΔV, а последнего - как ΔV (ΔV означает количество, которое меньше V, по меньшей мере, на один знак), и когда среднее время микрофлоккуляции подлежащей обработке воды в первом отделении задается как t₁, а среднее время микрофлоккуляции на второй стадии введения коагулянта задается как t₂ и когда число частиц в единице объема на заключительном этапе первой стадии введения коагулянта задается как N₁', а число частиц в единице объема на заключительном этапе второй стадии введения коагулянта задается как N'₁₊₂, обеспечивается соотношение

N₁'=A'exp(-k₁t₁)

(однако при условии, что А' на этапе, когда t=0, означает N₁', то есть число микрохлопьев или k₁=α₁(4GФ/π), и α₁ означает эффективность коагуляции, соответствующую введению неорганического коагулянта только в количестве V-ΔV на единицу объема) и соотношение

N'₁₊₂=N₁'exp(-k₂t₂)=A'exp(-k₁t₁-k₂t₂)

(однако при условии, что А' на этапе, когда t=0, означает N₁', то есть число микрохлопьев или k₂=α₂(4GФ/π), α₂ означает эффективность коагуляции, соответствующую введению неорганического коагулянта только в количестве ΔV на второй стадии введения коагулянта, и Ф' означает средний объем хлопьев на стадии, когда подлежащая обработке вода 1 перетекает из первого отделения во второе отделение).

Принимая во внимание важное соотношение между описанными выше N₁₊₂ и N'₁₊₂, для заданного времени, прошедшего после начального момента времени (время до t=t₁), микрохлопья, имеющиеся в подлежащей обработке воде 1, естественно, коагулируют под влиянием неорганического коагулянта. Следует отметить, что нет необходимости в том, чтобы весь введенный неорганический коагулянт израсходовался на микрофлоккуляцию, напротив, неорганический коагулянт оказывает коагулирующее действие и впоследствии поглощается микрохлопьями.

В этом случае, если количество изначально введенного неорганического коагулянта на единицу объема составляет V или V-ΔV (однако при условии, что ΔV означает количество, которое на один знак меньше, чем V), вряд ли может быть обнаружено отличие в коагулирующем действии.

Следовательно, между α и α₁, которые являются соответствующими элементами описанных выше k и k₁, получено соотношение α≈α₁. Таким образом, также получается соотношение k≈k₁.

На тех же основаниях получаются соотношения α≈α₂ и A≈A'.

Однако поскольку средний объем микрохлопьев вследствие быстрого перемешивания в первом отделении при переходе во второе отделение снижается, получается соотношение Ф'<Ф.

Ввиду полученного соотношения а₂<а существуют, по меньшей мере, соотношения (t₁+t₂)>a₁t₁+a₂t₂ и N'₁₊₂>N₁₊₂. Более конкретно, если неорганический коагулянт вводят в одинаковом количестве на единицу объема при отсутствии и при наличии разделения на первое отделение, второе отделение и последующие отделения, в последнем случае коагуляция имеет место с увеличением числа частиц, подлежащих удалению, и в конечном счете, становится возможным эффективное осуществление коагуляции.

Следовательно, как описано в варианте осуществления пункта 2, если резервуар быстрого перемешивания 10 разделен на два или более отделения, а неорганический коагулянт вторично вводят во втором и последующих отделениях, неорганический коагулянт примешивается в целом в меньшем количестве, таким образом, становится возможным обеспечить аналогичное коагулирующее действие, то есть число коагулировавших частиц в подобном единичном объеме.

Как показано на фиг.1, в варианте осуществления пункта 2 используется резервуар быстрого перемешивания 10, разделенный на два или более отделения (следует отметить, что на фиг.1 показан резервуар быстрого перемешивания 10, разделенный на три отделения 101, 102, 103). При использовании резервуара быстрого перемешивания 10 частицы, которые оседают в отстойнике 21, и частицы, которые не оседают, но остаются в прошедшей обработку осаждением воде 3, имеют предельно уменьшенный средний размер, следовательно, минимальный размер имеют и частицы, которые необходимо отфильтровать на этапе фильтрации прошедшей обработку осаждением воды 3. В результате становится возможным предельно уменьшить количество оставшихся микрохлопьев.

Кроме того, в варианте осуществления пункта 2 количество примешиваемого неорганического коагулянта регулируется (ограничено) на каждой из стадий - первой стадии введения коагулянта и второй стадии введения коагулянта - так, чтобы количество оставшегося коагулянта и агломератов было меньше заданной величины. Следовательно, притом что частицы соединяются друг с другом под действием неорганического коагулянта менее часто, чем описано в известном уровне техники, и образуют микрохлопья большей плотности, количество осадка, производимого вследствие используемого таким образом неорганического коагулянта, снижается, улучшаются параметры концентрации и дегидратации осадка, таким образом, облегчается удаление этого осадка.

Как показано на фиг.1, вторая точка введения коагулянта 201 может быть использована не только в резервуаре быстрого перемешивания 10 после второго отделения 102 и далее, но также после завершения перемешивания в резервуаре быстрого перемешивания 10, но перед стадией флоккуляции.

В варианте осуществления пункта 3 показатель, отражающий количество оставшихся коагулянта и агломератов, STR (Suction Time Ratio) (отношение времени всасывания: показатель, выражаемый как Ts/Tv, где для поглощения фильтровальной бумагой используют дистиллированную воду той же температуры и того же объема, что и подлежащая обработке вода 1, с той же интенсивностью всасывания и где время всасывания подлежащей обработке воды задается как Ts, а время всасывания дистиллированной воды задается как Tv) для воды, подлежащей обработке на этапе, когда стадия микрофлоккуляции завершена, составляет 4,0 или менее, предпочтительно, 2,5 или менее.

Более конкретно, фактически, при использовании неорганического коагулянта таким образом, чтобы количество оставшихся коагулянтов и агломератов неорганического коагулянта не превышало заранее заданный уровень, что является отличительной особенностью основной концепции пункта 1, вариант осуществления изобретения, в котором используется STR, является благоприятным, а также легко применимым.

В пункте 3 STR определен понятным образом. В строгом смысле, он определяется отношением STR=Ts/Tv, где пробу воды объемом 500 мл и дистиллированную воду того же объема и одинаковой температуры поглощают за соответствующее время Ts (сек) и Tv (сек) при помощи всасывающего устройства (а именно, устройства, оборудованного резервуаром с разрежением, держателем фильтра и всасывающим насосом с уровнем вакуума 26,7 кПа), соединенного с мембранным фильтром (общей толщиной 45 мм) (фильтр изготовлен компанией Advantec Inc. и имеет средний размер пор 0,45 мкм и пористость 38%).

Однако вариант осуществления пункта 3 пригоден для регулирования (ограниченного) количества используемого коагулянта, что связано с основной концепцией, не путем использования строго определенного STR, а путем использования STR, как описано в пункте 3.

Как описано в варианте осуществления пункта 3, где вводимое количество коагулянта регулируют (ограниченно) на первой стадии введения коагулянта и на второй стадии введения коагулянта так, чтобы STR составлял 4,0 или менее, возможно уменьшить количество содержащихся в подлежащей обработке воде 1 тонкодисперсных взвешенных частиц, а также сократить разрушение хлопьев. Хлопьеобразующие наклонные пластины 8, установленные с шагом от 5 до 10 мм в зоне циркуляции 7 той части отстойника, из которой отводится прошедшая обработку осаждением вода 3, используются для уменьшения количества микрохлопьев, покидающих отстойник 21, благодаря чему неорганический коагулянт можно вводить с меньшим расходом, чем в обычном способе, с получением прошедшей обработку осаждением воды 3 с меньшей мутностью.

В частности, если расход вводимого неорганического коагулянта регулируют так, чтобы STR в начале стадии флоккуляции составлял 2,5 или менее, микрохлопья увеличиваются в размере до больших микрохлопьев, например, диаметром 30 мкм или более, при этом сохраняя свойства микрохлопьев, то есть меньший размер и большую плотность.

Следовательно, большие микрохлопья имеют меньший диаметр, чем обычные хлопья, но большую плотность, а поэтому и большую скорость осаждения, что делает возможным ускорение осаждения и отделения хлопьев в отстойнике 21, а также снижение мутности прошедшей обработку осаждением воды 3.

В варианте осуществления пункта 4 после коагуляции устанавливают такие условия, что число частиц, оставшихся в прошедшей обработку осаждением воде 3, диаметр которых составляет 3,0 мкм или менее, равно 100000/мл или менее, предпочтительно, 40000/мл или менее, на этапе, когда стадия микрофлоккуляции завершена, на стадии флоккуляции, то есть до завершения прохождения через хлопьеобразующие наклонные пластины 8, флоккуляцию осуществляют при таких условиях коагуляции, что величина SDI (показателя плотности осадка) или показателя, отражающего характеристики концентрации хлопьев (показатель величины плотности осадка, вычисленный по уравнению для количества сухого твердого вещества хлопьев в пробах (мг/{объем хлопьев (мл) × число проб}) как количество сухого твердого вещества (мг), содержащегося в мл объема хлопьев, полученное на основании концентрации сухого твердого вещества в пробах после измерения объемной концентрации хлопьев после 30-минутного осаждения с использованием мерного цилиндра объемом 100 мл), составляет 6 мг/мл или более, предпочтительно, 8 мг/мл или более.

В варианте осуществления пункта 4 требуются такие условия коагуляции, чтобы число частиц диаметром 3,0 мкм или менее, оставшихся в отстойнике 21, составляло 100000/мл или менее, предпочтительно, 40000/мл или менее. Существует исходно найденное соотношение, по которому чем больше количество неорганических коагулянтов, тем меньше число микрохлопьев в единице объема.

Однако как ясно из описанной выше основной концепции, поскольку неорганический коагулянт используется на стадии микрофлоккуляции ограниченно, невозможно обеспечить требуемое число микрохлопьев в единице объема.

Тем не менее, эти требования выполнены только благодаря тому, что в варианте осуществления 4 быстрое перемешивание проводится более интенсивно на основании изложенного для варианта осуществления пункта 2.

С другой стороны, в варианте осуществления пункта 4, как описано ранее, требуется, чтобы до завершения прохождения через хлопьеобразующую наклонную пластину 8 величина SDI составляла 6 мг/мл или более, предпочтительно, 8 мг/мл или более.

Требования, касающиеся этих величин SDI, выполнены, что означает, что, как описано выше, быстрое перемешивание осуществляется более интенсивно, тем самым микрохлопья, попадающие в отстойник 21, приобретают большую плотность, соударяются друг с другом, а также легко осаждаются при коагуляции.

Как описано выше, в варианте осуществления пункта 4 быстрое перемешивание осуществляется с большей интенсивностью, из-за чего микрохлопья приобретают большую плотность. Следовательно, после соударения микрохлопьев друг с другом, приводящего к флоккуляции на хлопьеобразующей наклонной пластине 8, они падают с наклонной пластины 8 и легко осаждаются в отстойнике 21. Таким образом, достигается состояние, которое может легко удовлетворять требованию, чтобы мутность подлежащей обработке воды 1 после прохождения между хлопьеобразующими наклонными пластинами 8 по отношению к мутности до прохождения снижалась до 4/5 или менее.

Из различных систем, описанных в разделе Уровень техники, в качестве отстойника 21 для осуществления флоккуляции используются преимущественно система с взвешенным слоем осадка и обычная система.

Как описано в варианте осуществления пункта 5, что само собой разумеется, эти две системы имеют такую конструкцию, что хлопьеобразующая наклонная пластина 8 обеспечивается только вблизи выходного отверстия отстойника 21, из которого вытекает чистая вода.

Однако в обычной системе, как описано в варианте осуществления пункта 6, эта система используется на стадии флоккуляции и, как показано на фиг.3, может быть устроена так, что хлопьеобразующие наклонные пластины 8 размещаются в двух местах, то есть вблизи входного отверстия отстойника 21 последовательно с резервуарами медленного перемешивания 191, 192 и 193, в которые подают подлежащую обработке воду, и вблизи выходного отверстия отстойника 21, из которого вытекает чистая вода.

Как описано выше, если хлопьеобразующие наклонные пластины 8 установлены в двух местах или у входного отверстия и выходного отверстия, хлопьеобразующая наклонная пластина 8 у входного отверстия оказывает весьма заметное флоккулирующее действие, которое будет описано во втором варианте осуществления изобретения.

Вариант осуществления пункта 7 состоит в том, что осуществление стадии микрофлоккуляции разделяют между двумя или более отделениями и устанавливают величину интенсивности быстрого перемешивания в каждом отделении, величину G_R (выражаемую уравнением 3:

где коэффициент перемешивания задается как С, площадь перемешивающей лопасти задается как А (м²), окружная скорость перемешивающей лопасти задается как ν (м/сек), коэффициент кинетической вязкости задается как γ (м²/сек), и объем резервуара для перемешивания (емкость) задается как V (м³)) равной 150 сек^-1 или более, и величину времени быстрого перемешивания T_R устанавливают равной 3 минутам или более.

Как правило, в каждом из отделений, где осуществляется быстрое перемешивание, интенсивность перемешивания G_R повышают и время перемешивания T_R также увеличивают, таким образом, становится возможным уменьшить число тонкодисперсных взвешенных частиц и повысить плотность микрохлопьев. В этом случае коагулянты и агломераты расходуются, интенсифицируя адгезию при соударении взвешенных частиц с микрохлопьями, тем самым снижается STR. Однако если используется такой высокий расход вводимого коагулянта, что после быстрого перемешивания STR превышает заранее заданную величину и неорганический коагулянт остается в избытке, коагулянты и агломераты на последующей стадии флоккуляции неизбежно становятся комковатыми и менее плотными. Таким образом, однажды полученные путем быстрого перемешивания более мелкие и более плотные микрохлопья неизбежно становятся комковатыми и также менее плотными.

Следовательно, как, в частности, описано в варианте осуществления пункта 3, STR подлежащей обработке воды на этапе, когда стадия микрофлоккуляции завершена, составляет 4,0 или менее, предпочтительно, 2,5 или менее, более предпочтительно, эта величина так близка к 1,0, как это возможно. Тем самым удается избежать того, чтобы на следующей стадии флоккуляции хлопья становились комковатыми или менее плотными, таким образом, становится возможным эффективно достичь цели настоящего изобретения.

Более конкретно, чтобы реализовать STR, основанный на описанных ранее численных требованиях, коагулянт вводят в меньшем количестве, чем в случае обычной технологии, чтобы получить микрохлопья большей плотности, таким образом, становится возможным достичь эффективного осаждения и отделения микрохлопьев, а также оптимизировать и последующую обработку фильтрованием, и удаление осадка.

В варианте осуществления пункта 8 размер по вертикали хлопьеобразующей наклонной пластины 8 составляет от 30 мм или более до 100 мм или менее, множество наклонных пластин установлено с интервалом от 20 мм или более до 200 мм или менее по вертикали.

Как указано в описываемом выше варианте осуществления, если размер по вертикали хлопьеобразующей наклонной пластины 8 устанавливается равным 30 мм или более, во многих местах могут образовываться турбулентные потоки, способствующие флоккуляции.

Однако принимая во внимание факт, что пластины с размером по вертикали, превышающим 100 мм, не способствуют образованию турбулентных потоков, верхний предел размера по вертикали, как описано выше, устанавливается равным 100 мм.

Причиной установки множества хлопьеобразующих наклонных пластин 8 является факт, что завихряющиеся потоки могут образовываться у нижнего конца каждой из наклонных пластин, ускоряя эффективную флоккуляцию.

Кроме того, причина, по которой для каждой наклонной пластины необходим интервал 20 мм или более, состоит в том, что при нормальном состоянии потока подлежащей обработке воды 1 жидкое состояние у нижних концов хлопьеобразующих наклонных пластин 8, установленных с интервалом 20 мм или менее, подобно непрерывному состоянию, имеющему место между этими наклонными пластинами 8. Следовательно, менее вероятно, что завихряющиеся потоки образуются у нижнего конца следующей по ходу потока хлопьеобразующей наклонной пластины 8, на основании чего установлен нижний предел. Кроме того, интервал, превышающий 200 мм, не является технически значимым, на основании чего установлен верхний предел.

В большинстве случаев угол хлопьеобразующей наклонной пластины 8 относительно горизонтального направления устанавливают равным от 30 до 80°.

Как показано на фиг.2, в варианте осуществления пункта 9 обеспечиваются резервуары накопления с контактной средой 12, 15, в которых создают условия, препятствующие прохождению микрохлопьев со стадии быстрого перемешивания на стадию флоккуляции, для обеспечения контакта вновь поступивших микрохлопьев с существующими микрохлопьями и их соударения, и при прохождении подлежащей обработке воды 1 через резервуары накопления с контактной средой 12, 15 происходит дополнительное ускорение микрофлоккуляции.

Как было описано ранее, часто используемой типичной и характерной формой слоев накопления с контактной средой 13, 16, препятствующих движению микрохлопьев навстречу потоку воды, является полый цилиндр, в котором формируются завихряющиеся потоки, удерживающие микрохлопья. На фиг.2 показано, что один или несколько резервуаров накопления с контактной средой 12, 15 (два резервуара на фиг.1), в которых, как указано выше, имеются слои накопления с контактной средой 13, 16, расположены между резервуаром быстрого перемешивания 10, разделенным на три отделения 101, 102, 103, и резервуаром 5 с взвешенным слоем осадка, в котором осуществляется стадия флоккуляции.

Благодаря наличию резервуаров накопления с контактной средой 12, 15 в полостях внутри и снаружи конкретной контактной среды в резервуаре накопления с контактной средой формируется множество завихряющихся микропотоков. Завихряющиеся микропотоки, во-первых, задерживают имеющиеся микрохлопья в полостях внутри и снаружи контактной среды и, во-вторых, осуществляют транспорт дополнительных микрохлопьев к имеющимся микрохлопьям, посредством чего становится возможным обеспечение очень высокой частоты соударения и удерживания. Эффект осуществления микрофлоккуляции, основанной на соударении и удерживании, намного выше, чем эффект осуществления микрофлоккуляции в резервуаре быстрого перемешивания 10 при повышенных значениях G_R и T_R. Таким образом, на следующей стадии флоккуляции эффект укрупнения может быть дополнительно усилен, следовательно, более тонкодисперсные микрохлопья с большей плотностью можно отделить в отстойнике 21 более эффективно. А именно, поскольку возможно сделать микрохлопья, перемещающиеся на стадию фильтрации, более тонкодисперсными и более плотными, а также уменьшить число частиц, в целом становится возможным одновременно уменьшить диаметр и число микрохлопьев в подлежащей обработке воде 1, прошедшей фильтрацию.

Что касается явления, лежащего в основе описанных эффектов, поскольку частота соударений β зависит от количества завихряющихся потоков, она вносит больший вклад в величину, определяемую уравнением Smoluchowski [0003] (частота соударений под действием завихряющихся потоков намного больше, чем под действием турбулентных потоков под действием перемешивания в резервуаре перемешивания), и число существующих хлопьев, n _j, может быть увеличено, становится возможным получить большую скорость снижения количества тонкодисперсных взвешенных частиц в единице объема (dN/dt) подлежащей обработке воды 1 на этапе между резервуаром быстрого перемешивания 10 и выходным отверстием. Также возможно увеличить средний диаметр микрохлопьев в подлежащей обработке воде 1 на этапе между слоем накопления с контактной средой и выходным отверстием, а также снизить число таких микрохлопьев.

Следовательно, если имеются резервуары накопления с контактной средой 12, 15, для получения аналогичной скорости образования микрохлопьев можно установить меньшую величину эффективности соударения α, то есть эффективности соударения, основанной на влиянии неорганического коагулянта, чем в случае, когда таких резервуаров нет. В итоге возможно получить микрохлопья большей плотности. Однако поскольку перемешивание в резервуаре быстрого перемешивания усилено, интенсивность перемешивания, G_R, и время перемешивания, T_R, можно уменьшить.

Как показано на фиг.2, в варианте осуществления пункта 10 обеспечивается множество резервуаров накопления с контактной средой (однако на фиг.2 показан случай, когда установлено два таких резервуара). Таким образом, благодаря прохождению подлежащей обработке воды 1 через множество резервуаров накопления с контактной средой 12, 15 возможно дополнительно ускорить микрофлоккуляцию с получением более плотных хлопьев, как описано выше.

Однако в вариантах осуществления пунктов 9 и 10, в которых обеспечиваются резервуары накопления с контактной средой, микрохлопья с увеличенной плотностью накапливаются или объединяются на стенках резервуаров накопления с контактной средой 12, 15, что может вызвать технические затруднения по распределению потока подлежащей обработке воды 1.

Чтобы справиться с этой ситуацией в варианте осуществления пункта 11 применяется концепция, в соответствии с которой в слой накопления с контактной средой вводят, периодически или непрерывно, воздух, в результате чего становится возможным удалять микрохлопья, объединившиеся или накопившиеся на слое накопления с контактной средой. Тем самым удается решить описанную выше техническую задачу.

В пунктах 9, 10 и 11, в которых обеспечиваются резервуары накопления с контактной средой 12, 15, и, в частности, в варианте осуществления пункта 12, где поверхностная скорость водотока в резервуаре накопления с контактной средой равна 3,0 м/ч или более, а время удерживания равно 1,5 минуты или более, возможно одновременно достичь уменьшения диаметра микрохлопьев и уменьшения числа микрохлопьев на этапе, когда стадия фильтрации завершена. В частности, может быть значительно уменьшено число микрохлопьев со средним диаметром 3,0 мкм и, таким образом, дополнительно снижена мутность отфильтрованной воды.

В варианте осуществления пункта 13 обычная система со стадией медленного перемешивания используется в качестве стадии флоккуляции, величину G_s, или интенсивность медленного перемешивания (величину, выражаемую уравнением 2:

где коэффициент перемешивания задается как С, площадь перемешивающей лопасти задается как А (м²), окружная скорость перемешивающей лопасти задается как ν (м/сек), коэффициент кинетической вязкости задается как γ (м²/сек), и объем резервуара для перемешивания (емкость) задается как V (м³)), устанавливают равной 20 с^-1 или более, а величину T_s, или время медленного перемешивания, устанавливают равной 5 минут или более, посредством чего существующие хлопья приводят в контакт с микрохлопьями.

В конкретном варианте, как показано на фиг.4, после резервуара быстрого перемешивания 10, разделенного на три отделения 101, 102, 103, размещены перемешивающие устройства 20 для формирования хлопьев соответственно в трех отделениях 192, 193, 194 из четырех отделений 191, 192, 193, 194, посредством чего в этих трех отделениях 192, 193, 194 осуществляется флоккуляция, затем, после прохождения через последнее отделение 194, обрабатываемая вода перетекает в отстойник 21, снабженный устройством с наклонными пластинами 8 и зоной осветленной воды 7, и далее подвергается фильтрации (следует отметить, что в первом отделении 191 обеспечивается первый резервуар накопления с контактной средой 12, однако обеспечение резервуара накопления с контактной средой не является обязательным требованием).

В обычной системе, в которой используется устройство медленного перемешивания 20, в соответствии с обычной технологией применяется малая величина G_s, то есть приблизительно 20 с^-1, исходя из оставшегося количества коагулянтов и агломератов, превышающего 4,0, или величины STR в варианте осуществления пункта 3. В описанном выше обычном способе укрупнения, хотя хлопья в резервуаре для формирования хлопьев 19 вырастают больше (становятся комковатыми) при низкой плотности, в условиях более низкой интенсивности перемешивания снижается частота их соударений, поэтому неизбежно в большом количестве образуются микрохлопья, которые не претерпевают осаждения или отделения, а остаются в воде.

Как описано в варианте осуществления пункта 13, где величина G_s, или интенсивность медленного перемешивания, и величина T_s, или время медленного перемешивания, равны установленным выше, микрохлопья, напротив, соударяются друг с другом с увеличенной частотой, они приводятся в контакт с существующими хлопьями эффективно с точки зрения снижения количества оставшихся микрохлопьев с диаметром 3,0 мкм или менее. Кроме того, эти микрохлопья укрупняются (коагулируют) с другими хлопьями, диаметр которых равен 3,0 или более, что способствует созданию такого состояния, когда микрохлопья могут осаждаться и отделяться.

В варианте осуществления пункта 14 на стадии флоккуляции используется система со взвешенным слоем осадка, позволяющая осуществить флоккуляцию путем приведения группы исходных хлопьев, накопившихся на взвешенном слое осадка 6, в контакт с микрохлопьями, а высота взвешенного слоя осадка 6 составляет от 50 см или более до 200 см или менее.

Более конкретно, как показано на фиг.1 и фиг.2, микрохлопья подвергаются флоккуляции внутри резервуара 5 с взвешенным слоем осадка 6. В вариантах осуществления пунктов 1-7 и пунктов 9-12 на основании того факта, что после стадии микрофлоккуляции увеличился диаметр микрохлопьев и снизилось число микрохлопьев (фактически, вследствие такого снижения часто наблюдается сокращение числа микрохлопьев с диаметром 3,0 мкм или менее и увеличение числа микрохлопьев с диаметром 3,0 или более), возможно уменьшить емкость резервуара 5 с взвешенным слоем осадка.

Более конкретно, в обычной технологии, поскольку микрохлопья попадают в резервуар 5 с взвешенным слоем осадка в большом количестве (в частности, это хлопья с диаметром 3,0 мкм или менее), обычно высота взвешенного слоя осадка 6 должна составлять от 200 до 300 см. В варианте осуществления пункта 14, который основан на вариантах осуществления каждого из описанных выше пунктов, напротив, возможно осуществить флоккуляцию при высоте слоя в диапазоне от 50 до 200 см.

Кроме того, поскольку микрохлопья, попадающие на взвешенный слой 6, имеют меньший размер и большую плотность, исходные хлопья, полученные в результате накопления микрохлопьев, также могут иметь меньший размер и большую плотность.

Кроме того, поскольку микрохлопья, остающиеся в прошедшей обработку осаждением воде 3, имеют меньший размер и большую плотность, возможно снизить частоту промывки (число промывок) одновременно со снижением выхода микрохлопьев диаметром 3,0 мкм или более, остающихся в отфильтрованной воде, и избежать нарушения процесса промывки в результате засорения фильтрационного резервуара. Также возможно улучшить параметры концентрации и дегидратации осадка, образующегося из исходных хлопьев, которые теперь имеют меньший размер и большую плотность.

Далее приводится описание отдельных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на конкретные данные.

Первый вариант осуществления

Как показано на фиг.1, при условии использования резервуара быстрого перемешивания 10, разделенного на три отделения 101, 102, 103, и отстойника 21 величина G_R, представляющая собой интенсивность перемешивания в резервуаре быстрого перемешивания 10, задается равной 1250 с^-1, величина T_R, представляющая собой время перемешивания, задается равной 7,3 мин, расход коагулянта на первой стадии введения коагулянта задается равным 18,9 мг/л, после быстрого перемешивания на второй стадии ведения коагулянта сравниваются величины расходов коагулянта 0, 9,44 и 18,9 мг/л относительно присутствия или отсутствия наклонных пластин с шагом 10 мм, установленных в двух местах.

Результаты представлены в таблице 1 (где верхнее число соответствует случаю, когда хлопьеобразующие наклонные пластины 8 установлены, а нижнее число - случаю, когда хлопьеобразующие наклонные пластины 8 не установлены, в нижней части таблицы 1 приведены данные для отдельных позиций, касающиеся состояния исходных хлопьев спустя 24 часа после обработки, соответствующие каждому из значений расхода РАС_В).

Таблица 1
Расход подаваемых РАС_В, мг/л	0,5-1,0 мкм (хлопьев/ мл)	1,0-3,0 мкм (хлопьев/ мл)	3,0-7,0 мкм (хлопьев/ мл)	7,0 или более мкм (хлопьев/ мл)	Мутность, степень	Доля мутности
0	22369 20430	1742 1954	355 808	77 703	0,040 0,211	1/5,3
9,44	11978 10261	908 725	150 236	26 135	0,018 0,044	1/2,4
18,9	6653 6640	387 338	95 139	20 46	0,014 0,020	1/1,4

Расход подаваемых РАС_В, мг/л	Время обработки, ч	STR	Объемная концентрация хлопьев, %	Концентрация сухого твердого вещества, мг/л	Величина SDI, мг/мл
0	24	1,18	20,2	2000	9,90
9,44	24	3,35	24,8	1624	6,55
18,9	24	5,60	27,0	1548	5,43

Как показано в верхней части таблицы 1, число микрохлопьев диаметром 7,0 мкм или более в случае отсутствия наклонной пластины снижается с 703/мл до 135/мл и 45/мл при повышении расхода неорганического коагулянта на второй стадии введения коагулянта. Разрушение исходных хлопьев разрешено, следовательно, их количество уменьшается, а также существенно уменьшается число частиц различного диаметра. Как показано в нижней части таблицы, с увеличением расхода неорганического коагулянта STR увеличивается с 1,18 до 3,35 и 5,60, тогда как величина SDI, отражающая характеристики концентрации исходных хлопьев (показатель величины плотности осадка, вычисленный по уравнению для количества сухого твердого вещества хлопьев в пробах (мг/{объем хлопьев (мл) × число проб}) как количество сухого твердого вещества (мг), содержащегося в мл объема хлопьев, полученное на основании концентрации сухого твердого вещества в пробах после измерения объемной концентрации хлопьев после 30-минутного осаждения с использованием мерного цилиндра объемом 100 мл), снижается с 9,90 до 6,55 и 5,43 мг/мл.

Как следует из таблицы 1, степень мутности составляет 0,044 в отсутствие хлопьеобразующей наклонной пластины 8, приводя к расходу 9,44 мг/л неорганического коагулянта на второй стадии введения коагулянта, и мутность составляет 0,040, если на второй стадии введения коагулянта его не подают, но имеется наклонная пластина.

Следовательно, эти величины, по существу, одинаковые.

А именно, продемонстрировано, что даже если вторая порция коагулянта равна нулю, наличие хлопьеобразующих наклонных пластин 8 с шагом 10 мм, установленных в двух местах, делает возможным получение чистой воды, подобной получаемой в том случае, когда расход коагулянта на второй стадии составляет 9,4 мг/л.

Было показано, что при расходе коагулянта на второй стадии 18,9 мг/л, доля мутности обрабатываемой воды после прохождения хлопьеобразующей наклонной пластины 8 относительно величины мутности до прохождения пластины составляет 1/1,4, что не отвечает основному требованию настоящего изобретения, и если количество вводимого коагулянта превышает заранее заданную величину, выполнение хлопьеобразующей наклонной пластиной 8 ее функций относительно снижается.

В случае когда степень мутности прошедшей хлопьеобразующие наклонные пластины 8 воды при расходе коагулянта 18,9 мг/л обеспечивается равной 0,014, в то время как степень мутности равна 0,018 даже при расходе коагулянта 9,44 мг/л, между этими величинами нет большой разницы, однако этот случай лучше, чем тот, когда степень мутности составляет 0,020 при расходе коагулянта 18,9 мг/л в отсутствие хлопьеобразующей наклонной пластины 8.

А именно, было показано, что даже при снижении расхода на второй стадии введения коагулянта на примерно 1/2 микрохлопья и взвешенные частицы соударяются друг с другом благодаря турбулентным потокам, сопровождающим завихряющиеся потоки между хлопьеобразующими наклонными пластинами 8, вследствие чего происходит достаточное ускорение флоккуляции.

В отношении явления мутности данные, приведенные в таблице 1, показывают, что способ введения коагулянта на стадии флоккуляции с целью увеличения STR разрешает разрушение хлопьев вследствие образования хлопьев меньшей плотности и при этом комковатых, тем самым достигается снижение мутности воды, прошедшей обработку осаждением. Этот результат свидетельствует о том, что разрушение исходных хлопьев разрешается вследствие повышения STR после быстрого перемешивания. Однако поскольку величина SDI, указывающая на характеристики концентрации исходных хлопьев, снижается, предполагается, что происходит разрушение исходных хлопьев, которые становятся комковатыми и менее плотными. Что касается обычного способа, это не является благоприятным для последующей обработки фильтрацией и удаления осадка. В случае использования хлопьеобразующих наклонных пластин 8, напротив, сразу с высокой эффективностью могут быть отделены микрохлопья диаметром 3,0 мкм или более, как показано в таблице 1. Следовательно, мутность прошедшей обработку осаждением воды приблизительно та же, что и в способе, разрешающем разрушение хлопьев, и осуществляется уменьшение числа частиц диаметром 3,0 мкм или менее. То есть обосновано, что осаждение может быть должным образом проведено без введения неорганического коагулянта на второй стадии введения коагулянта.

Как видно из таблицы 1, расход коагулянта на второй стадии введения коагулянта можно регулировать по STR в начале стадии флоккуляции. Однако учитывая взаимосвязь между STR и мутностью прошедшей обработку осаждением воды, также возможно регулировать вводимое на второй стадии количество коагулянта на основании мутности прошедшей обработку осаждением воды.

Второй вариант осуществления

Как показано на фиг.1 и фиг.2, при условии использования резервуара быстрого перемешивания 10, разделенного на три отделения и резервуара накопления с контактной средой, соединенного с резервуаром быстрого перемешивания 10, величины G_R, или интенсивность перемешивания, для первого отделения, второго отделения и третьего отделения задаются соответственно как 1500 с^-1, 1500 с^-1 и 1500 с^-1, величины T_R, или время перемешивания, в первом отделении, втором отделении и третьем отделении задаются соответственно как 0,96 мин, 0,96 мин и 2,93 мин, величина G_s, или интенсивность перемешивания в резервуаре медленного перемешивания, задается как 25 с^-1, величина T_R, или время перемешивания, задается как 28 мин, расход коагулянта на первой стадии введения коагулянта задается как 26,4 мг/л, расход коагулянта на второй стадии введения коагулянта задается равным нулю, тем самым устанавливаются условия микрофлоккуляции. Затем, как показано на фиг.3, обычную систему используют в качестве стадии флоккуляции, а хлопьеобразующие наклонные пластины 8 устанавливают и вблизи входного отверстия отстойника 21, в которое подается подлежащая обработке вода 1, и вблизи выходного отверстия этого отстойника, через которое вытекает чистая вода, хлопьеобразующие наклонные пластины 8 вблизи входного отверстия устанавливают с шагом 24 мм, а хлопьеобразующие наклонные пластины 8 вблизи выходного отверстия располагают с изменяемым шагом. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2
Шаг установ-ки пластин, мм	0,5-1 мкм	1-3 мкм	3-7 мкм	7,0 или более мкм	Мутность, степень	Доля мутности подлежащей обработке воды после прохождения наклонных пластин относительно мутности до прохождения	STR
11	14000	1066	146	35	0,041	1-2,4	1,09
24	15103	1151	235	36	0,046	1-2,1	1,09
48	15270	1328	517	116	0,075	1-1,3	1,11
Сравни-тельный пример*	14818	1643	569	228	0,098	1	1,11
* где вблизи выходного отверстия наклонные пластины 8 не установлены, то есть наклонные пластины 8 установлены только вблизи входного отверстия

Как видно из таблицы 2, чем меньше шаг хлопьеобразующих наклонных пластин 8, тем меньше доля мутности подлежащей обработке воды 1 после прохождения ею пластин относительно мутности до прохождения, что показывает, что при продвижении в пространстве между хлопьеобразующими наклонными пластинами 8 микрохлопья и взвешенные частицы соударяются друг с другом с образованием хлопьев, таким образом, увеличивается вероятность того, что хлопья осядут в отстойнике 21.

Если шаг составляет 48 мм, мутность подлежащей обработке воды 1 после прохождения ею пластин относительно мутности до прохождения снижается приблизительно как 1/1,3, что удовлетворяет основному требованию настоящего изобретения, то есть достижение доли 4/5 или менее. Однако эта доля не обязательно снижается в значительной степени.

Причина описанного выше результата в том, что флоккуляция значительно ускоряется хлопьеобразующими наклонными пластинами 8, установленными с шагом 24 мм вблизи входного отверстия (указанный шаг удовлетворяет численным требованиям, предъявляемым к шагу хлопьеобразующих наклонных пластин, устанавливаемых на заключительном этапе флоккуляции, в соответствии с настоящим изобретением).

Помимо измерений, результаты которых приведены в таблице 2, были проведены измерения мутности на этапе прохождения через третье отделение резервуара для формирования хлопьев 19, оборудованное устройством медленного перемешивания 20 (третье отделение резервуара медленного перемешивания) 193, мутность составила 85,4. Учитывая факт, что в таблице 2 приведена величина мутности 0,098, полученная, когда хлопьеобразующие наклонные пластины 8 были установлены вблизи выходного отверстия, становится ясно, что хлопьеобразующие наклонные пластины 8, установленные вблизи входного отверстия, способствуют радикальному снижению мутности.

Настоящее изобретение может найти применение во всех промышленных сферах, связанных с отведением сточных вод и удалением осадков с использованием неорганических коагулянтов.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 - подлежащая обработке вода

2 - первое положение для введения неорганического коагулянта перед быстрым перемешиванием

3 - очищенная осаждением вода

4 - осадки из концентрированных и осажденных хлопьев

5 - резервуар со взвешенным слоем осадка

6 - слой взвешенного осадка

7 - зона осветленной воды

8 - наклонные пластины, отделяющие флоккулированные хлопья

81 - турбулентные потоки воды

9 - зона концентрации осадков

10 - резервуар быстрого перемешивания

11 - устройство быстрого перемешивания

12 - резервуар накопления с контактной средой для флоккуляции

13 - первый слой накопления с контактной средой

14 - первое удерживающее отверстие накопления с контактной средой

15 - второй резервуар накопления с контактной средой для флоккуляции

16 - второй слой накопления с контактной средой

17 - второе удерживающее отверстие накопления с контактной средой

18 - обозначение

Blower

19 - резервуар для медленного перемешивания

20 - устройство для медленного перемешивания

21 - отстойник

101 - первое отделение резервуара быстрого перемешивания

102 - второе отделение резервуара быстрого перемешивания

103 - третье отделение резервуара быстрого перемешивания

191 - первое отделение резервуара

192 - второе отделение резервуара медленного перемешивания

193 - третье отделение резервуара медленного перемешивания

194 - четвертое отделение резервуара медленного перемешивания

201 - второе положение примешивания неорганического коагулянта после быстрого смешивания

Claims

1. Способ коагуляции и осаждения для обработки воды, включающий стадии, на которых осуществляют:
введение неорганического коагулянта, при котором в подлежащую обработке воду вводят неорганический коагулянт,
микрофлоккуляцию, при которой подлежащую обработке воду, в которую введен неорганический коагулянт, перемешивают в резервуаре быстрого перемешивания для достижения предварительной микрофлоккуляции в подлежащей обработке воде тонкодисперсных взвешенных частиц,
флоккуляцию, состоящую из стадии, на которой микрохлопья далее укрупняются при контакте с имеющимися в отстойнике хлопьями, и
осаждение, при котором обеспечивается осаждение и отделение хлопьев в отстойнике,
в котором как заключительный этап стадии флоккуляции используют хлопьеобразующие наклонные пластины с шагом от 5 до 50 мм, а также на этапе после стадии микрофлоккуляции используют такое количество неорганического коагулянта, чтобы мутность обрабатываемой воды после прохождения наклонных пластин составляла 4/5 или менее по сравнению с мутностью до прохождения наклонных пластин.

2. Способ коагуляции и осаждения для обработки воды по п.1, в котором на стадии микрофлоккуляции используют резервуар быстрого перемешивания, разделенный на два или более отделения, расположенных последовательно так, что подлежащая обработке вода может проходить их один за другим, при этом обеспечивают первую стадию введения коагулянта, на которой неорганический коагулянт вводят во всю или в часть подлежащей обработке воды, поступающей в первое отделение стадии микрофлоккуляции, и вторую стадию введения коагулянта, на которой неорганический коагулянт вводят во всю или часть подлежащей обработке воды, поступающей из второго отделения стадии микрофлоккуляции на стадию флоккуляции, при этом количество вводимого коагулянта регулируют на первой стадии введения коагулянта и на второй стадии введения коагулянта.

3. Способ коагуляции и осаждения для обработки воды по п.1 или 2, в котором показатель, отражающий количество оставшихся коагулянта и агломератов, STR, означающий отношение времени всасывания для воды, подлежащей обработке на этапе, когда стадия микрофлоккуляции завершена, составляет 4,0 или менее, предпочтительно 2,5 или менее, при этом STR является показателем, выражаемым как Ts/Tv, в котором для поглощения фильтровальной бумагой используют дистиллированную воду той же температуры и того же объема, что и подлежащая обработке вода, с той же интенсивностью всасывания, и где время всасывания подлежащей обработке воды задается как Ts, а время всасывания дистиллированной воды задается как Tv.

4. Способ коагуляции и осаждения для обработки воды по п.1, в котором после коагуляции устанавливают такие условия, что число частиц, оставшихся в прошедшей обработку осаждением воде, диаметр которых составляет 3,0 мкм или менее, равно 100000/мл или менее, предпочтительно 40000/мл или менее, на этапе, когда стадия микрофлоккуляции завершена, на стадии флоккуляции или до завершения прохождения через хлопьеобразующие наклонные пластины флоккуляцию осуществляют при таких условиях коагуляции, что величина SDI, означающая показатель величины плотности осадка, отражающей характеристики концентрации хлопьев, составляет 6 мг/мл или более, предпочтительно 8 мг/мл или более, при этом SDI вычисляют по уравнению для количества сухого твердого вещества хлопьев (мг) в пробах: объем хлопьев (мл): число проб как количество сухого твердого вещества (мг), содержащегося в мл объема хлопьев, полученное на основании концентрации сухого твердого вещества в пробах после измерения объемной концентрации хлопьев вслед за 30-минутным осаждением с использованием мерного цилиндра объемом 100 мл.

5. Способ коагуляции и осаждения для обработки воды по п.1, в котором для осуществления стадии флоккуляции в отстойнике используют обычную систему с процессом медленного перемешивания или систему со взвешенным слоем осадка без процесса медленного перемешивания, причем хлопьеобразующие наклонные пластины расположены только вблизи выходного отверстия отстойника, из которого вытекает чистая вода.

6. Способ коагуляции и осаждения для обработки воды по п.1, в котором для осуществления стадии флоккуляции используют обычную систему с процессом медленного перемешивания, причем хлопьеобразующие наклонные пластины расположены и вблизи входного отверстия отстойника, в которое подлежащую обработке воду подают после резервуара медленного перемешивания, и вблизи выходного отверстия отстойника, из которого вытекает чистая вода.

7. Способ коагуляции и осаждения для обработки воды по п.1, в котором величину интенсивности быстрого перемешивания в каждом отделении стадии микрофлоккуляции, величину G_R устанавливают равной 150 с^-1 или более, а величину времени быстрого перемешивания, T_R, устанавливают равной 3 мин или более, при этом величину G_R определяют как:

где коэффициент перемешивания задается как С, площадь перемешивающей лопасти задается как А (м²), окружная скорость перемешивающей лопасти задается как ν (м/с), коэффициент кинетической вязкости задается как γ (м²/с), и объем резервуара для перемешивания задается как V (м³).

8. Способ коагуляции и осаждения для обработки воды по п.1, в котором размер по вертикали хлопьеобразующей наклонной пластины составляет от 30 мм или более до 100 мм или менее, множество наклонных пластин установлено с интервалом по вертикали от 20 мм или более до 200 мм или менее.

9. Способ коагуляции и осаждения для обработки воды по п.1, в котором обеспечивают резервуары накопления с контактной средой, в которых создают условия, препятствующие прохождению микрохлопьев со стадии быстрого перемешивания на стадию флоккуляции, для обеспечения контакта микрохлопьев с другими микрохлопьями и их соударения, подлежащая обработке вода проходит через резервуары накопления с контактной средой, в результате чего происходит дополнительное ускорение микрофлоккуляции.

10. Способ коагуляции и осаждения для обработки воды по п.9, в котором обеспечивают множество резервуаров накопления с контактной средой.

11. Способ коагуляции и осаждения для обработки воды по п.1, в котором в слой накопления с контактной средой вводят периодически или непрерывно воздух, в результате чего становится возможным удалять микрохлопья, объединившиеся или накопившиеся на слое накопления с контактной средой.

12. Способ коагуляции и осаждения для обработки воды по п.1, в котором поверхностная скорость водотока в резервуаре накопления с контактной средой равна 3,0 м/ч или более, а время удерживания равно 1,5 мин или более.

13. Способ коагуляции и осаждения для обработки воды по п.1, в котором обычную систему используют в качестве стадии флоккуляции, и при медленном перемешивании, осуществляемом в этой системе, величину G_s или интенсивность медленного перемешивания устанавливают равной 20 с^-1 или более, а величину T_s или время медленного перемешивания устанавливают равной 5 мин или более, посредством чего существующие хлопья приводят в контакт с микрохлопьями, при этом величину G_s определяют как:

где коэффициент перемешивания задается как С, площадь перемешивающей лопасти задается как А (м²), окружная скорость перемешивающей лопасти задается как ν (м/с), коэффициент кинетической вязкости задается как γ (м²/с), и объем резервуара для перемешивания (емкость) задается как V (м³).

14. Способ коагуляции и осаждения для обработки воды по п.1, в котором для осуществления стадии флоккуляции используют систему со взвешенным слоем осадка, и высота взвешенного слоя осадка для достижения флоккуляции путем приведения группы накопившихся исходных хлопьев в контакт с микрохлопьями составляет от 50 см или более до 200 см или менее.