Одной из важнейших характеристик воды и водных растворов является показатель активной концентрации водородных ионов pH. Он характеризует степень кислотности или щелочности данного раствора, определяет скорость и направление многих химических реакций, в том числе и реакций, происходящих при обработке воды химическими реагентами.
Существуют два принципиально различных метода измерения pH растворов: колориметрический и электрометрический.Колориметрический метод измерения pH, как и колориметрическое титрование, основан на свойстве определенных веществ (индикаторов) менять свой цвет в зависимости от значения pH раствора, к которому они добавляются. Окраску сравнивают с цветом того же индикатора в растворе с известным pH. Этот метод удобен для качественной оценки и ориентировочных количественных разовых измерений pH в производственных условиях.
Промышленные приборы для измерения, регистрации и регулирования активной концентрации водородных ионов в технологических растворах представляют собой системы, состоящие из датчика, преобразователя и автоматического потенциометра.
Высокое сопротивление стеклянного электрода исключает возможность непосредственного измерения напряжения или тока в схемах непрерывно действующих рН-метров. Входное сопротивление прибора, работающего от датчиков с современными стеклянными электродами, не должно быть ниже 5 • 1011 ом, так как протекание через электрод тока силой более 2 • 10-12 а вызывает поляризацию электрода, что быстро выводит его из строя. Поэтому схемы промышленных автоматических рН-метров строятся на принципе компенсации измеряемой э.д.с. В настоящее время в измерительной технике наибольшее применение находят три способа автоматической компенсации: использование следящей системы с реостатными, индукционными, емкостными, фотоэлектрическими и другими компенсирующими элементами; метод периодического уравновешивания с помощью развертывающего устройства и метод статической компенсации.
Далее рассматриваются схемы и технические данные автоматических рН-метров, выпускаемых отечественной промышленностью и представляющих интерес с точки зрения применения в системах водоподготовки и промышленной канализации.
Прибор комплектуется двумя каломельными и одним стеклянным электродами.На рис. 11.20 показан общий вид рН-метра типа 2518/8.Контрольные замеры штанговым рН-метром также удобно проводить при наладке построенной системы автоматики.
Автоматическое дозирование реагентов при обработке воды и промышленных стоков осуществляется средствами одного из наиболее совершенных видов автоматизации — автоматического регулирования непрерывно протекающих процессов. В отличие от автоматических систем, выполняющих определенные простые ■или сложные, разовые или повторяющиеся операции при поступлении соответствующей команды или возникновении заранее предусмотренной ситуации, системы автоматического регулирования способны в течение длительного времени управлять режимом работы агрегата или ходом технологического процесса при воздействии на них случайных внешних возмущений.
Существование замкнутой системы регулирования определяется наличием внешней связи между выходным параметром объекта — регулируемым параметром и регулирующим воздействием, приложенным к его входу. В самом объекте направление передачи сигнала противоположно — от входа к выходу. Поэтому внешнюю связь, осуществляемую регулятором, называют обратной связью. В настоящее ©ремя понятия обратной связи и замкнутой системы регулирования стали основными в теории автоматического регулирования и учения об управлении биологическими системами.
При построении ‘системы регулирован,ия автоматизируемый объект рассматривается не только с точки зрения происходящих в нем технологических процессов, но и с некоторых общих для большинства объектов позиций, позволяющих оценить его статические и динамические свойства1. Основными показателями регулировочных качеств объекта являются его емкость, способность к самовыравниванию, инерционность и запаздывание.
По способу получения энергии для осуществления регулирующего воздействия регуляторы делятся на устройства прямого и непрямого действия. В первом случае энергия для перемещения регулирующего органа берется непосредственно из объекта при помощи чувствительного элемента, как это показано, например, на рис. III.3. Во втором случае регулятор лишь управляет поступлением энергии от постороннего источника.
Вопросу предварительного выбора типа регулирующего устройства следует уделять большое внимание. Если выбор общей структуры системы регулирования в какой-то мере определяется опытом и технической интуицией конструктора, то использование в этой системе того или иного типа регулятора должно обусловливаться конкретными данными, характеризующими автоматизируемый технологический процесс. При этом следует учитывать, что применение неоправданно сложного, высокодинамичного регулятора удорожает систему регулирования, затрудняет ее обслуживание и понижает надежность, а применение оегулятора с недостаточными динамическими возможностями не обеспечивает правильного проведения процесса и при определенных условиях может вывести систему из рабочего состояния.
В данной главе мы ограничимся рассмотрением лишь электрических промышленных регуляторов и исполнительных механизмов. Ниже даны схемы и технические характеристики устройств, применение которых, с точки зрения авторов, наиболее целесообразно в системах дозирования реагентов для водопод-готовки и обработки сточных вод. Предпочтение отдается сравнительно новым приборам, не описанным достаточно широко в специальной литературе по автоматическим регуляторам, а также тем хорошо известным устройствам, которые получили или получают наибольшее распространение в водоснабжении и канализации.
Для дозирующих устройств с поступательным перемещением регулирующего органа можно применять исполнительные механизмы типов ДР и ПР (первый предназначен лишь для дгух-позиционного регулирования). Ход штока составляет 19 мм. Эти устройства пригодны и для осуществления вращательного движения. Максимальный угол поворота (для ДР он постоянен) составляет 180°.
Наибольшие трудности для дозирования представляют реагенты, применяемые в виде грубых суспензий. К ним относятся известковое и магнезитовое молоко, а также ряд других суспензий. При прохождении через различные дросселирующие устройства суспензии быстро забивают узкие щели нерастворимым осадком, в результате протекание их либо прекращается совсем, либо резко не соответствует степени открытия регулирующего органа. Еще хуже обстоит дело в случае полного закрытия регулирующего органа, что при работе системы регулирования может происходить довольно часто. Уплотненный осадок, неизбежно образующийся перед затворным органом, препятствует протеканию молока даже при последующем значительном его открытии. Как показал опыт эксплуатации, меньше всего пригодны для регулирования расхода грубых суспензий дисковые задвижки и различные вентили. Несколько лучшие результаты можно получить, используя насосы-дозаторы и, в определенных условиях, такиепростые устройства, как поворотные заслонки. Не оправдали себя всякого рода чарпаковые дозаторы, широко применявшиеся в рудообогащении. Наиболее надежны дозирующие устройства в виде открытых бачков, в которых изменение расхода протекающей среды осуществляется не путем перекрытия проходного отверстия, а иными способами, например делением свободнопадающей струи или сужением отверстия истечения по всему его периметру. К таким дозирующим устройствам относятся дозаторы, разработанные ВНИИ Водгео и некоторыми другими организациями.
В ряде случаев реагенты в виде растворов и суспензий целесообразно дозировать специальными насосами, которые могут подавать их в напорные системы.; Использование насосов-дозаторов устраняет необходимость устройства дозировочных баков в верхних этажах зданий и сокращает протяженность растворопроводов. Кроме того, поскольку такие насосы осуществляют подачу по принципу вытеснения определенных объемов жидкости поршнем, плунжером или зубьями шестерен, они одновременно служат достаточно точными измерителями количества подаваемой жидкости.
Для регулирования расходов чистых жидкостей и газов во многих областях техники широко используются регулирующие клапаны и поворотные заслонки. Эти регулирующие органы находят некоторое применение и на водоочистных станциях для регулирования расходов реагентов в чистых растворах или очищенных и малоконцентрированных суспензий.
Для регулирования расходов газов используются многие регулирующие органы из тех, что описаны выше, например клапаны и заслонки. Однако существуют и специфические регулирующие органы, наилучшим образом приспособленные именно для газообразных реагентов. К ним относится, например, широко при- меняемый в США клапан типа К-г сИ (рис. IV. 15). Этот кла- пан применен в автоматических дозаторах хлора, выпускаемых фирмой «Уоллес и Тирнан». Собственно регулирующим органом в этом клапане служит цилиндр, по образующей которого прорезана клиновидная щель. Цилиндр ¡перемещается в неподвижной шайбе, ©следствие чего меняется сечение проходного отверстия. При соблюдении постоянства давления расход газа находится в линейной зависимости от перемещения цилиндра, что представляет большие удобства при регулировании.
Одним из важнейших методов обработки сточных вод является их химическая очистка, осуществляемая при помощи добавок различных химических реагентов. В сочетании с отстаиванием, фильтрацией и другими методами она дает весьма эффективные результаты. Наиболее часто встречающаяся задача химической очистки сточных вод состоит в нейтрализации содержащихся в них кислот с одновременным удалением ионов тяжелых металлов (железа, цинка, свинца, меди).
Комплекс сооружений, предна Йенных для обработки кислых или щелочных сточных вод с целью их нейтрализации и устранения металлов, называется станцией нейтрализации или нейтрализационной установкой.Станции нейтрализации могут быть непрерывного действия, когда добавки реагента вводят в поток сточной жидкости, движущийся непрерывно, и периодического действия, когда добавки реагента вводят в сточную жидкость, периодически накапливаемую в емкостях. Установки периодического действия применяются при сравнительно небольшом расходе сточных вод.
Как уже указывалось, схемы систем регулирования процессов нейтрализации сточных вод строятся по принципу стабилизации регулируемого параметра. Такие схемы широко применяются для регулирования различных технологических процессов. Основой для выбора схемы регулирования и определения характеристик регулирующего устройства служат данные о динамических свойствах регулируемого объекта. До сих пор станции нейтрализации с этой точки зрения не рассматривались и промышленные регулирующие устройства на них не применялись.
Паузы между импульсами должны соответствовать времени запаздывания системы. В данном случае запаздывание зависит от продолжительности протекания воды через смеситель и уточняется во время эксплуатации. Длительность импульсов также подбирается практическим путем в период пробной эксплуатации. Она зависит от характера изменений pH в сточной воде и обычно составляет от 0,5 до 1-—2 сек.
Пневматическая автоматика находит все большее применение для регулирования различных технологических процессов, особенно в химии, где электрические системы не всегда можно применять по условиям взрывоопасности. Очевидно, в ближайшее время пневматическая автоматика найдет применение и на водоочистных станциях, особенно там, где она используется для регулирования основных технологических процессов. Вопросы удобства и экономичности эксплуатации однотипных автоматических устройств в условиях современных предприятий имеют немаловажное значение.
Описываемая ниже система контроля и регулирования, осуществленная авторами в 1961 г., является наиболее типичной для станций нейтрализации кислых сточных вод, поэтому она приводится с некоторыми подробностями.
Рассмотренный выше метод контроля и автоматического регулирования процессов нейтрализации и обезвреживания имеет большое практическое значение для очистки сточных вод предприятий искусственного волокна ,и особенно заводов вискозного производства. Заводы, вырабатывающие вискозное волокно, штапель и ,ко.рд, являются крупными потребителями воды, которая затем сбрасывается, попадая в конечном счете опять в водоемы. Эти сточные воды отличаются Высокой кислотностью, содержат большое количество цинка, сероуглерода и остатков вискозы. Высокие концентрации загрязнений делают эти воды агрессивными ло отношению к материалам сооружений я весьма ядовитыми для фауны водоемов.
Сточные воды, содержащие соединения циана (цианиды) и шестивалентного хрома, относятся к числу наиболее ядовитых производственных стоков, очистке которых уделяется особое внимание.Допустимая концентрация цианидов в сточных водах, сбрасываемых в водоемы, по существующим санитарным нормам составляет 0,1 мг/л, а по .нормам органов рыбоохраны — 0,05 мг/л. Такие же санитарные нормы установлены для шестивалентлого хрома. Сточные воды, спускаемые в водоемы, имеющие рыбохозяйственное значение, должны быть полностью освобождены от шестивалентного хрома.
Обезвреживание цианидов и удаление их из сточных вод .производятся несколькими .методами: отдувкой цианистого водорода после предварительного подкисления растворов, биологическим разрушением, электролизом и окислением цианидов химическими реагентами [17, 19, 21].
В настоящее время известно несколько методов очистки хромсодержащих сточных вод: метод реагентной обработки [17, 19, 28], метод ионного обмена [19, 26] и электрохимический метод (27]. Два последних метода являются новыми и распространения пока не получили. Применяется, главным образом, первый метод.
В нашей стране для очистных установок циан- и хромсодержащих сточных вод до сих пор проектируются лишь системы программного автоматического регулирования, которые в лучшем случае дополняются устройствами для автоматического контроля величины pH. Программные системы позволяют вводить обезвреживающие реагенты и проводить реакции по заранее заданному .времени. При этом качественный контроль основывается на периодических лабораторных анализах. При значительных колебаниях концентрации загрязнений программные системы и лабораторный контроль не могут обеспечить полного обезвреживания сточных вод и гарантировать от .проскоков ядовитых веществ в водоемы.
Обработка воды коагулянтами является одним из наиболее часто используемых приемов очистки воды. Она производится с целью удаления содержащихся в воде взвешенных частиц и коллоидных веществ для лучшего осветления и обесцвечивания воды. Применяется коагулирование и для других целей, например для улучшения условий осаждения карбоната кальция и гидроокиси магния при реагентном умягчении воды.
Системы пропорционального дозирования коагулянтов применяют в тех случаях, когда расход обрабатываемой воды непостоянен и, чтобы поддерживать заданную дозу коагулята, требуется часто прибегать к регулированию его количества. Само собой разумеется, что при этом должны быть приняты меры, обеспечивающие стабильность концентрации рабочего раствора реагента.
Обычно система автоматического регулирования концентрации рабочего раствора строится независимо от системы автоматического дозирования, для чего используются вентили с электрическим приводом и соответствующая регулирующая аппаратура. Однако возможно и другое решение, а именно: корректировать количество раствора реагента, подаваемого дозатором, по концентрации раствора, изменяя заданное объемное соотношение коагулянта и воды. В этом случае отпадает необходимость в самостоятельной системе автоматики для поддержания стабильности концентрации раствора коагулянта. Указанное корректирование по концентрации можно осуществить с помощью упомянутых выше кондуктометрического концентрато-мера или плотномера, связанных с регулятором ЭР-Ш-59. Проточный датчик плотномера устанавливается на отводе от напорного трубопровода насоса-дозатора. Погружной датчик концент-ратомера опускается непосредственно в растворный бак. Возможны и другие варианты установки этих приборов.
Дозаторы этого типа за последние 10 лет получили у нас применение на ряде водоочистных станций. Несмотря на то, что область их использования сужена определенными пределами общего солесодержания обрабатываемой воды, они имеют ряд достоинств, делающих их удобными в эксплуатации.
Попытки использовать для контроля коагуляции мутность воды представляют определенный практический интерес. .Мутность воды при коагуляции, как известно, повышается вследствие гидролиза гидроокиси алюминия или железа. Увеличение мутности может служить мерой дозы коагулянта.