Дозиране на химикали във води

Химичните методи за обработване на вода за питейни цели зависят най-вече от избраните химични вещества с оксидиращи и биоцидни свойства. Те се използват за отстраняването на нежелани примеси във водата, за дезинфекция на питейната вода, за пречистване на отпадни или промишлени води.

Сред най-широко използваните химични вещества са хлорът, натриевият и калциевият хипохлорит, озонът, хлор диоксидът и др. За дозиране на точното им количество, необходимо както в процесите на дезинфекция на водата, така и в останалите процеси на третиране на водите като флокулация, коагулация, отстраняването на фосфати, често се използват дозиращи помпи.

Хлориране
Хлорът е високоефективен оксидант и дезинфектант, с който се унищожават почти всички микроорганизми, дори при ниски нива на концентрация. Сред предимствата на химикала е дълготрайното му действие. В процеса на третиране на водата с хлор, хлорът се добавя под формата на елементарен хлор (газ), разтвор на натриев хипохлорит или сух калциев хипохлорит.

Елементарният хлор при нормално налягане е токсичен, жълто-зелен газ, който се втечнява при високо налягане. Той е много ефективен при отстраняването на почти всички патогенни микробни организми и се счита за подходящ както за първична, така и за вторична дезинфекция. При използването на елементарен хлор, той обикновено се съхранява в цилиндър под течна форма.

От цилиндъра през вентил, работещ при налягане по-ниско от атмосферното, хлорът се подава към дюза, намираща се в тръбата, по която тече водата. Тъй като водата се подава под високо налягане през дюза на Вентури, се създава вакуум, който увлича хлора във водния поток. За да се гарантира ефективно отстраняване на патогенните организми, е необходимо след инжектирането на хлора да се осигури достатъчно смесване и време за контакт.

Ефективността на обеззаразяване на отпадните води с чист хлор зависи от неговата разтворимост във вода, която се променя под въздействието на фактори като налягане, температура и стойност на pH. Оптимални за разтварянето на хлора се считат условия на ниска температура и високо налягане на водата. Добре е, също така, да се има предвид, че с увеличаване на недисоциираните молекули хипохлориста киселина, бактерицидният ефект се увеличава, и обратно.

Също така, при обеззаразяването на отпадните води с хлор е необходимо да се обърне сериозно внимание на определянето на дозите от реагента, необходими за пълно унищожаване на потенциално опасните микроорганизми, намиращи се във водата.

Обикновено оразмерителното количество на активния хлор се приема в зависимост от степента на пречистване на отпадните води например след механично пречистване то е 10 g/m3; след непълно биологично пречистване - 5 g/m3, а след пълно биологично пречистване - 3 g/m3.

Точната доза често се определя в процеса на експлоатация на пречиствателната станция. Дозата на реагента се коригира и в зависимост от количеството остатъчен хлор в пречистената вода. Специалистите препоръчват концентрацията на остатъчния активен хлор да бъде най-малко 1,5 g/m3 след контакт между хлора и водата в продължение на 30 минути.

Обеззаразяване на водата с натриев и калциев хипохлорит
В използвания за дезинфекция разтвор на натриев хипохлорит, хлорът обикновено е от около 5 докъм 15%. Негово предимство е по-лесната му поддръжка, но, от друга страна, той е силно корозионно агресивен.

Също така, натриевият хипохлорит се разлага, поради което не се препоръчва съхраняването му повече от един месец. Мястото, на което се съхранява, е необходимо да бъде сухо, тъмно и студено. Обикновено, преди да се подаде към водоснабдителна тръба, той се смесва с вода, след което чрез помпа се подава към тръбата в точно определено количество.

Натриевият хипохлорит се получава при хидролизата на концентриран разтвор от натриев хлорид (NaCl). Процесът се осъществява в електролизери с графитни електроди. Процесът на производство на натриевия хипохлорит се счита за по-лесно осъществим в сравнение с подготовката на чист хлор за обеззаразяване на отпадните води.

Натриевият хипохлорит се приема за много добра алтернатива на чистия хлор, като постиганата ефективност на обеззаразяване на отпадните води е съпоставима с тази на хлора. Принципно, ефективно обеззаразяване на пречистената вода с натриев хипохлорит се получава при концентрация 1,5 - 3,5 mg/dm3.

За дезинфекция на отпадните води може да се използва и хлорна вар, която съдържа 32-36% активен хлор. Счита се за подходяща предимно за малки пречиствателни станции с производителност до 1000 m3/d.

Калциевият хипохлорит е бяло, твърдо вещество, съдържащо около 65% хлор и лесно разтворимо във вода. Използването му е свързано с известни трудности поради корозионната му агресивност и силната миризма. Добре е да се има предвид, че при взаимодействието му с органични материали като дърво, тъкани и петролни продукти може да генерира достатъчно топлина за предизвикване на пожар или експлозия.

Подаването му към системата за дезинфекция може да е по същия начин, както натриевия хипохлорит, с предварително разтваряне във вода и последващо подаване посредством дозиращи помпи.

Като недостатъци при дозирането му специалистите посочват ""неразтворимите"" съставки: калциев карбонат, калциев хидроксид, които трябва да бъдат отстранени от киселините в дозиращите уреди с допълнително дозиране, иначе може да се причини блокиране на дозирането.

Обеззаразяване на водата с озон
Озонът е един от най-мощните природни окислители, чийто окислителни свойства превъзхождат значително тези на чистия хлор. Той притежава висок окислителен потенциал и това осигурява бързо и пълно протичане на реакциите във водните разтвори. Озонът влиза в активна реакция с много минерални и органични съединения и притежава силно бактерицидно действие.

Обеззаразяването на отпадните води с озон се приема за един от най-чистите и безопасни методи, тъй като след приключване на реакцията озонът се разпада или се трансформира в безопасни съединения. Това на практика изключва възможността чист озон да попадне в пречистената вода.

Озонът се явява алотропна форма на кислорода. Образува се от кислорода при поглъщане на топлина. Характерно за молекулата на озона е, че тя е неустойчива и лесно дисоциира във въздух и във вода, превръщайки се в кислород. По-голямата активност на озона в сравнение с молекулния кислород обикновено се обяснява с факта, че процесът на разлагане се съпровожда с отделяне на енергия. Принципно, скоростта на разпадане на озона нараства с увеличаване на концентрацията, рН и температурата на водата.

При използването на озон за обеззаразяване на отпадните води се постигат няколко ефекта: окисляване на неорганичните и органичните вещества; високо бактерицидно действие (до 99,8%); водата едновременно се обезцветява, обезмирисява и се обогатява с кислород.

Като предимство на озонирането се посочва и фактът, че не се внасят химични реагенти и не се увеличава солевият състав на пречистената вода. Количеството на подавания озон е 5 mg на един литър обработвана вода. Концентрацията на остатъчното количество на озона е 0,5 mg/dm3.

Самото обеззаразяване на водата протича, като в подготвената за обеззаразяване и подадена към контактната камера вода се въвежда въздушно-озонова смес. Тъй като озонът се явява умерено разтворим газ, добре е подаването на въздушно-озоновата смес в контактната камера да е с помощта на дозиращи помпи.

Необходимо е също системата да може да осигури ефективно диспергиране на озоно-въздушната смес, тъй като ефективността зависи от контакта на водата със сместа. Времето за контакт на озона с водата е много малко – от 5 до 20 минути, но поради силните окислителни свойства на озона, то е достатъчно за обеззаразяването на отпадните води.

След завършването на реакцията окисленият озон се разпада на кислород, който се трансформира във вода и ОН. В практиката обеззаразяването на отпадните води с озон в повечето случаи се използва не като самостоятелен метод, а в качеството си на метод, съпътстващ хлорирането на водата.

Обеззаразяване на водата с хлор диоксид
Хлор диоксидът е прекият заместник на газообразния хлор. Той съчетава всички негови предимства и преодолява недостатъците му – не се влияе от стойността на pH и температурата на водата и няма остатъчен вкус или мирис. Най-широко приложение намира при обработката на затворени кръгове с топла вода в болници, спа центрове, топлоцентрали и други.

Дозирането му се извършва като двете основни суровини (солна киселина и натриев хлорит) се смесват в реактор и се подават в третирания воден поток под налягане. Процесът се осъществява на порции или на база обратна връзка от сензор за съдържание на хлор диоксид във водата.

Дозиране на химикалите
За да се осигури подаването на точното количество химични вещества, често се използват дозиращи помпи. Сред причините те да са предпочитаното решение е възможността лесно да се променя количеството на дозираните химични вещества в зависимост от условията на процеса.

Те позволяват работа с широк кръг от корозионно активни или вискозни течности, както и с киселини, основи и разтворители. Разнообразните приложения определят и разнообразието от конструктивни решения и използвани материали. Често използвани материали за преносната част на дозиращите помпи са пластмасата, термопластичните полимери или неръждаемата стомана.

За уплътнителните части на помпите се използват предимно EPDM (Hypalon), FPM (Viton) и PTFE (Teflon). Особеното при тези помпи е, че те обединяват в един компактен уред трите отделни функции на процеса на дозиране - изпомпване, измерване и регулиране. От различните конструкции в практиката най-широко използвани са мембранните дозиращи помпи.

Характерно за тях е отсъствието на утечки, което се дължи на факта, че мембраната служи за уплътнение между пренасяната течност и околната среда. Мембранните помпи имат два клапана - по един на смукателната и на нагнетателната страна. Принципът им на работа се състои в засмукване на определен обем течност през смукателния клапан, който при обратния ход на мембраната се нагнетява през изпускателния клапан към нагнетателния тръбопровод.

По отношение на основните характеристики е добре да се има предвид, че при дозиращите помпи по-важни характеристики се явяват максималният изходящ поток, максималното изходящо налягане, размерът на входа и на изхода на помпата. Специфична тяхна особеност е и фактът, че създаваното от тях налягане не е мигновено, а с натрупване, и е с точно определена големина, достатъчна за преодоляване на насрещното налягане в тръбопровода. Дебитът обикновено се определя по два основни начина - опитно или емпирично.

При оразмеряване на дозиращите помпи обикновено се препоръчва помпата да се оразмери така, че максималният очакван дебит да е от порядъка на 85 до 95% от възможностите на помпата, което позволява работа и с по-голям дебит при необходимост. От друга страна, минималният дебит не бива да пада под 10%. По-малкият дебит би се отразил негативно на точността на помпата.

Основни видове дозиращи помпи
Дозиращите помпи могат да бъдат механично задвижвани мембранни дозиращи помпи, хидравлично задвижвани дозиращи помпи, бутални дозиращи помпи и перисталтични. Често дозиращите помпи биват категоризирани спрямо задвижващото устройство. В този случай се различават соленоидни (електромагнитни) дозиращи помпи и помпи, задвижвани с двигател.

При дозиращите помпи, задвижвани с двигател, в зависимост от вида на двигателя се различават следните видове: помпи с обикновен асинхронен двигател, помпи със синхронен двигател и цифрови дозиращи помпи, в конструкцията на които се използват два вида двигатели: стъпков с електронно регулиране и безколекторен постояннотоков двигател с електронно регулиране.

При работа с максимален дебит стъпковият (или безколекторният) двигател функционира непрекъснато и продължителността на смукателния и нагнетателния ход са еднакви. При намаляване на дебита на двигателя той все още работи непрекъснато и смукателният ход запазва продължителността си. За разлика от него продължителността на нагнетателния ход се увеличава. Това означава, че цифровите помпи контролират дебита посредством промяна на оборотите по време на нагнетателния ход.

Съществуват всички основания да се твърди, че цифровите дозиращи помпи предлагат най-добрите характеристики и възможности за управление. Тъй като обикновено работят със скъпоструващи химикали, по-високата точност гарантира ефективното им използване чрез генериране на значителни икономически ползи от пестенето на химикали и енергия. В същото време оптималните характеристики на цифровите дозиращи помпи осигуряват безпроблемна работа с вискозни течности например.

Важни елементи от конструкцията им, имащи определяща роля за постигането на добрите им експлоатационни характеристики, са: зъбният ремък между двигателя и коляно-мотовилковия механизъм води до сигурност и точност в предаването на движението; двойният смукателен обратен клапан, който осигурява сигурно и плътно изолиране на смукателната страна на помпата; сензорът за дебит, който показва теоретичния работен статут на помпата, а и сигнализира за наличието на утечки.

Някои конструкции залагат на инсталирането на двойна мембрана и сензор за утечки. По този начин специалистите по поддръжката получават информация при скъсване на основната мембрана, както и за продължаване работата на помпата с втората мембрана. Решението се използва при отговорни непрекъснати процеси, в които спирането на работата на дозиращата помпа не е желателно и дори невъзможно.

Съвременните цифрови дозиращи помпи могат да бъдат снабдени с допълнителен модул за комуникация, който позволява следенето и управлението на всички параметри на помпата.
Буталните дозиращи помпи осигуряват висока точност и налягане, но работата им винаги е съпроводена с утечки около буталото и затова намират по-ограничено приложение.

Перисталтичните помпи са изключително подходящи при дозиране на вискозни и абразивни суровини. Основно предимство е липсата на клапани и уплътнения, а работният флуид е в контакт само с маркуча.

Специалистите препоръчват преди инсталирането на избрания тип дозираща помпа да се направи оценка на условията на работа на помпата - дали помпата ще работи на открито или на закрито, наличието на прах, изпарения и други. При работа на помпата на открито е добре тя да е защитена от пряка слънчева светлина.

По отношение на околната температура повечето дозиращи помпи могат да работят при ниски температури. Когато се предвижда помпата да работи при подобни условия, може да се наложи защита от замръзване и проследяване на температурата. При работа на помпата с корозионно агресивни среди се препоръчва използването на специални покрития.

Методи за управление на дозирането
Съществуват няколко начина за управление на дозирането - пропорционално дозиране; дозиране с обратна връзка; дозиране на порции. Според направени проучвания, пропорционалното дозиране е най-широко прилагано в практиката. Основно изискване при него е дозиращата помпа да е свързана с разходомер.

Пропорционалното дозиране, макар и широко разпространено, не е универсален метод. Например то не се използва при системите за корекция на рН и дезинфекциращите системи. Характерно за тях е, че ефектът от дозирането се измерва със съответен датчик - сензор за рН след дозиране на киселина или основа. В зависимост от измерената стойност се подава съответен сигнал към помпата.

Подобен метод е познат като затворено-контурно дозиране с обратна връзка. В тези случаи дебитът на водата е приблизително постоянен. Съответно, дебитът на дозиращата помпа е пропорционален на разликата между очакваната (зададената) и реалната (измерената) концентрация на химикала.

В приложения, в които дебитът на водата не е постоянен, се използват и двата метода за управление - пропорционално и затворено-контурно.
Порционното дозиране се основава на подаването на импулс, след който се пропуска определена доза за даден период от време.