Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 12
1.1 Физико-химическая очистка сточных вод во флотационных установках . 15
1.2 Биологическая очистка сточных вод активным илом в аэрационных сооружениях 20
Глава 2. ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...
2.1 Объекты исследований и материалы 29
2.1.1 Объекты исследований 29
2.1.2 Материалы исследований 31.
2.2 Экспериментальные установки 33
2.2.1 Флотационные установки 33
2.2.2 Установки аэробной биологической очистки 36
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФЛОТАЦИОННЫХ УСТАНОВОК...39
3.1 Газовые удержания в присутствии тонко дисперсных частиц в 100 мм колонке 39
3.2 Газодинамические исследования в 300 мм колонке 41
3.2.1 Измерения газового удержания 41
3.2.2 Скорости циркуляции жидкости 49
3.2.3 Распределение размеров пузырей 50
Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД 54
4.1 Экспериментальные результаты в 100 ммколонке 54
4.1Л Удаление тонкодисперсных частиц 54
4.1.2 Удаление фенола 57
4.1.3 Одновременное удаление нефть/фенол/РАС 58
4.2 Экспериментальные результаты в 300 мм колонке 63
Глава 5. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБРАБОТКИ ВО ФЛОТАЦИОННОЙ КОЛОНКЕ 66
5.1 Нелинейная кинематическая модель 66
5.1.1 Удаление тонко дисперсных частиц в 100 мм колонке 67
5.1.2 Удаление нефти в 300 мм колонке 69
5.2 Модель газового удержания 70
5.3 Кинематические корреляции для разделения тонкодисперсных частиц в 100 мм колонке 73
5.4 Кинематические корреляции для разделения нефти в 300 мм колонке 79
Глава 6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФЛОТАЦИИ В ТРЕХСТАДИЙНОЙ КОЛОНКЕ 83
6.1 Моделирование отделения твердых частиц в 100 мм колонке 85
6.2 Моделирование отделения нефти в 300 мм колонке 90
6.3 Моделирование одновременного отделения РАС и нефти 90
6.4 Масштабирования процесса в трехстадийной колонке 90
Глава 7. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ОСВЕТЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД АКТИВНЫМ ИЛОМ В БИОРЕАКТОРАХ 96
7.1 Особенности биологической очистки сточных вод, содержащих органические загрязнения в растворенной форме 96
7.2 Результаты экспериментальных исследований процессов биологической очистки предварительно осветленных сточных вод 98
7.2.1 Исследования процессов очистки в биореакторах периодического действия 99
7.2.2 Исследования процессов очистки в биореакторах непрерывного действия 103
7.3 Моделирование процессов биологической очистки предварительно осветленных сточных вод 104
ВЫВОДЫ 116
ЛИТЕРАТУРА 119
- Физико-химическая очистка сточных вод во флотационных установках
- Объекты исследований
- Измерения газового удержания
Введение к работе
Актуальность проблемы
Известно, что применяемые в настоящее время технологии очистки сложных по составу сточных вод, содержащих дисперсные загрязнения, нефтепродукты и химикаты, не приводят к должному снижению их концентраций до уровней, позволяющих сбрасывать стоки в водоемы хозяйственного назначения. Поэтому с целью предотвращения экологического ущерба окружающей среде и здоровью человека целесообразно подвергать высокозагрязненные промышленные стоки комбинированной очистке, работа ступеней которой основана на разных принципах действия.
В частности, очистка сложных по составу сточных вод нефтехимических производств, содержащих эмульгированные нефтепродукты, мелкодисперсные взвешенные вещества и токсичные химикаты, предполагает использование многоступенчатых методов обработки, включающих физико-химическую на первом этапе и биологическую – на втором (основном) этапе.
Существенный вклад в развитие методов обработки сложных по составу стоков методами флотации и аэробной очистки внесли: Г.Л. Генцер, Н.В. Растрыгин, В.И. Решняк, В.В. Дегтярев, Ю.И. Бланк, С.В. Яковлев, А.А. Денисов, И.И. Павлинова и другие.
Настоящая диссертационная работа выполнялась в лабораторных условиях и на полупромышленных пилотных установках, смонтированных на действующих очистных сооружениях ряда промышленных объектов.
Цель и задачи исследований
Целью настоящей работы являлась разработка технологических моделей комбинированной системы физико-химической и биологической обработки сложных по составу смесей сточных вод.
При выполнении работы были поставлены следующие задачи:
- разработка опытной многостадийной флотационной установки, реализующей петлевой принцип разделения комбинированных смесей, содержащих дисперсные, эмульгированные и химические загрязнения;
- определение гидродинамических характеристик флотационных установок и процессов обработки сточных вод на различных режимах работы;
- определение параметров процессов одновременного удаления сложных загрязнений «нефть/фенол/активированный уголь»;
- разработка нелинейных кинетических моделей и установление корреляций экспериментальных и расчетных данных при удалении тонкодисперсных частиц и нефти;
- выдача рекомендаций по промышленному масштабированию процессов очистки сточных вод от сложных загрязнений в трехстадийных колонках различных типоразмеров;
- определение особенностей биологической очистки сточных вод активным илом в аэротенках и идентификация доминирующих видов микроорганизмов;
- разработка математической модели процесса биологической очистки сложных по составу сточных вод, предварительно очищенных на участке физико-химической обработки;
- сравнительные исследования преимуществ систем комбинированной очистки при наличии предварительного осветления сточных вод в многостадийных флотационных установках.
Научная новизна
Разработана и защищена патентом РФ установка для осуществления очистки сточных вод, содержащих дисперсные, нефтяные и химические загрязнения.
Впервые определены гидродинамические характеристики многостадийных флотационных установок при различных вариантах их конструктивного исполнения и на различных технологических режимах. Показаны пути совершенствования флотационных установок этого типа за счет выбора технологических схем, оптимальных конструктивных параметров отдельных элементов и их взаимного расположения.
Выявлено влияние рабочих режимов на эффективность удаления многокомпонентного состава загрязнений и даны рекомендации по выбору оптимальных диапазонов технологических параметров флотационных процессов.
Разработаны и успешно применены нелинейные кинетические модели скоростей удаления загрязнений и газовых удержаний в трехфазных флотационных установках различных размеров, определены обобщенные кинетические константы для последующего моделирования технологического процесса флотационной обработки сточных вод.
Впервые установлены критерии масштабирования многостадийных флотационных установок и выданы практические рекомендации по реализации процессов, реализуемых в составе комбинированных сооружений очистки производственных сточных вод.
Разработаны математические модели процессов биологической очистки сложных по составу сточных вод, предварительно очищенных на участке физико-химической обработки. Математические модели обеспечили приемлемое отражение условий функционирования и хорошую сходимость с экспериментальными данными - коэффициент корреляции составил приемлемую величину 0,93.
Практическая ценность
Работа охватывает широкий диапазон расчетно-экспериментальных исследований процессов физико-химической и биологической обработки сточных вод, содержащих дисперсные частицы, различного рода химические соединения и нефтяные загрязнения
Полученные результаты и выводы базируются на материалах теоретических, модельных и экспериментальных исследований физико-химических и микробиологических систем обработки сложных по составу смесей сточных вод и позволяют с высокой степенью надежности рекомендовать их к практическому использованию в промышленных масштабах при создании новых и реконструкции действующих систем очистки сточных вод сложного состава. Разработанные рекомендации и предложения подтверждены материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечивает возможность их надежного использования в производственных условиях с учетом особенностей конкретных видов и характеристик сточных вод и конструкций очистных сооружений.
Апробация работы.
На основании проведенных исследований разработано «Методическое руководство по созданию эффективных систем очистки сложных по составу смесей сточных вод нефтехимических производств».
Результаты и материалы выполненной работы использованы ГУП «МосводоканалНИИпроект» при разработке проекта «Модернизации очистных сооружений кондитерской фабрики в г. Ступино», 2009г., ЗАО «Водоснабжение и водоотведение» г. Москва при проведении проектно-конструкторских работ по реконструкции промышленных очистных сооружений сложного состава АО «Петротел-ЛУКОЙЛ» г. Плоиешть, Румыния, 2010 г.
Материалы диссертационной работы доложены на на 8-м Международном конгрессе «Водо: экология и технология», 3-6.06.2008, VI Международной научно-практической конференции» Ресурсы недр России: экономика и геополитика, гидрологии и геоэкология, литосфера и геотехника, г.Пенза , сентябрь 2007г, Научно-технической конференции студентов, аспирантов и преподавателей МИКХиС «Современные проблемы инженерных систем и экологии городов и населенных пунктов. г.Москва, март 2007г., VI Международной научно-практической конференции «Окружающая среда и здоровье». Пенза, 2009, Международной научно-практической конференции «Водоснабжение и водоотведение мегаполиса» март 2009, Москва, VII Международной научно-практической конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», г.Волгоград, май 2009г, IX Международной научно-практической конференции «Состояние биосферы и здоровье людей» г. Пенза, сентябрь 2009г., Международной конференции «Научные основы производства ветеринарных биологических препаратов» 9-11 декабря 2009 г, посвященной 40-летию ВНИТИБП. Щелково, 2009г.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 187 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, 21 таблица, 4 приложения. Библиография включает 150 наименований, из которых 61 на иностранных языках.
Физико-химическая очистка сточных вод во флотационных установках
Для очистки промышленных и бытовых сточных вод широко применяется флотационная техника. Процесс флотации основан на генерации газовых пузырей в твердо-жидких или жидко-жидких средах и последующем прикреплении и удалении твердых частиц или несмешивающихся жидких капелек из жидкой среды поднимающимися газовыми пузырями [19, 27, 30, 47-49, 54, 100, 102, 106, 107, 143].
Современная флотационная технология была внедрена в горнорудные отрасли промышленности еще в 18 столетии. Установлено, что вплоть до 95% металлосодержащих руд обрабатывались флотационными методами [126]. В настоящее время флотационная техника применяется не только при добыче полезных ископаемых, но и в других отраслях промышленности. В частности специалисты по охране окружающей среды уже используют процессы флотации, чтобы обрабатывать загрязненные пески [74], загрязненные почвы [50, 113, 151] и различные виды сточных вод [102, 123, 141].
Эффективность флотации главным образом зависит от пограничных свойств компонентов в смесях, которые подлежат разделению. Пограничные свойства компонентов могут быть изменены путем добавления в обрабатываемую среду различных поверхностных активных веществ (ПАВ). Применение различных ПАВ для изменения пограничных свойств компонентов привело к существенным сдвигам в развитии процесса флотации. Исследованиями проверено большое количество ПАВ, обеспечивающих получение высокой эффективности флотационного разделения. Например, был использован как депрессант Са(ОН)2, чтобы препятствовать пириту прикрепляться к газовым пузырям; SO2 мог снижать содержание сфалерита (цинковой обманки), который склонен всплывать вместе с галенитом в медных, свинцовых и серебряных рудах. Были испытаны и другие материалы, такие как битум, неочищенная олеиновая кислота и сырая нефть, которые показали себя активными реагентами во флотационном отборе [9, 40, 47, 47, 51, 73, 84, 105, ПО, 127, 139, 144, 145, 147].
Генерирование газовых пузырей - существенный этап в ходе флотации, т.к. при всплытии они создают подъемную силу для компонентов (тонкодисперсных частиц или капелек нерастворимых жидкостей), которые должны быть отделены от обрабатываемой среды. В зависимости от метода создания пузырей, флотация может быть классифицирована на три категории [14, 17,21,24,25,62,63, 116, 132, 135, 142, 146, 148,]:
Рассеянная (дисперсная) воздушная флотация: Газовые пузыри вводятся во флотационную емкость путем всасывания, вызванного перемешиванием или инъекцией сжатого газа через разбрызгиватели (распределители). Газовые пузыри, произведенные таким образом, являются обычно большими по размеру. Этот метод широко используется в горной промышленности для того, чтобы обогатить руду и получить рудные концентраты. Растворенная газовая флотация: Поток среды, насыщенной растворенным газом, вводится во флотационное устройство, в котором из-за внезапного падения давления образуются газовые пузыри. Как правило, давление в сатураторе, где производится насыщение, достигает 5 атм. Газовые пузыри, произведенные таким образом, имеют малые размеры, но реализация этого способа требует высоких расходов воздуха. Электролитическая флотация: Водородные и кислородные пузыри генерируются путем электролиза. Газовые пузыри, как правило, по размерам около 30 мкм. Однако эксплуатационные расходы выше, чем при растворенной газовой флотации из-за высокой стоимости электроэнергии.
В настоящее время существует много различных конструкций флотаторов, реализующих указанные выше способы, однако наиболее широко используются конфигурации флотаторов - перемешивающая ячейка и пузырчатая колонка.
Типичная схема механической перемешивающей ячейки функционирует следующим образом. Жидкий раствор подается в ячейку. Рабочее колесо установлено в ячейке флотатора. Воздух всасывается в ячейку через полую шахту перемешивателя, затем воздушный поток разбивается рабочим колесом, так, что мелкие пузыри отбрасываются от конца его лезвий. Затем восходящие пузыри вместе с присоединенными частицами/капельками формируют слой пены на поверхности дисперсной среды. Слой пены механически отгоняется из установки. Вращение рабочего колеса перемешивателя не только вводит воздушные пузыри в ячейку флотатора, но также и механически разбивает их на небольшие пузырьки. Кроме того, перемешивание побуждает бурное смешивание обрабатываемой среды и интенсифицирует столкновение пузырей с частицами. Механические ячейки флотатора работают хорошо в системах обработки минеральных сред. Однако большие объемы и высокий расход энергии являются их главными недостатками. Изобретение флотатора в виде пузырьчатой колонки явилось началом новой тенденции в разделении дисперсных сред. Этот проект флотационной колонки первоначально был запатентован в Канаде [15, 16, 20, 23,28,97, 117, 120, 125, 129, 140].
Объекты исследований
При проведении настоящей работы были созданы два типоразмера трехстадийной флотационной колонки (ТСФК) петлевого типа путем включения вытяжных труб в традиционную флотационную колонку для достижения многоступенчатой операции флотирования загрязняющих веществ. Флотационный процесс, реализуемый в колонке ТСФК, имеет ряд важных преимуществ по сравнению с обычными процессами флотирования: сокращение времени обратного смешивания, увеличение межфазовой площади, улучшение условий перемешивания и контакта между пузырями и частицами. Краткое описание колонки ТСФК и реализуемого в ней процесса флотирования приведено ниже.
Цель создания флотационной колонки - исследовать потенциальные возможности реализации в ней процесса по одновременному удалению диспергированных твердых частиц, растворенных химикатов и эмульгированных нефтяных смесей из индустриальных сточных вод предприятий нефтехимической промышленности.
Экспериментальные исследования проводились на моделируемых сточных водах, содержащих эмульгированную минеральную нефть, суспендированные частицы (измельченный в порошок активированный уголь и стеклянные шарики) и растворенный в воде фенол как представительный химикат.
В целом экспериментальные исследования были разделены на три основных этапа. Во-первых, проведение экспериментов для измерения эффективности удаления индивидуальных или смешанных эмульгированных нефтей, фенола и твердых частиц, включающих напыленный активизированный углерод (АУ) и стеклянные шарики (стеклярус), из моделируемых сточных вод, с использованием 100 и 300 мм флотационных колонок ТСФК. Полученные таким образом экспериментальные данные в дальнейшем использовались при выполнении последующих этапов работы.
Во-вторых, анализ полученных скоростей разделения (кинетики) для индивидуальных компонентов с целью определения кинетических констант в виде экспериментально определенных гидродинамических коэффициентов, используемых в дальнейшем для моделирования процессов флотации.
В-третьих, разработка математических моделей процессов для нефтяного, химического и твердого разделения в колонке ТСФК.
По результатам исследования был идентифицирован и рекомендован к использованию критерий масштабирования для конструкции колонки ТСФК с учетом эксплуатационных условий реализуемого процесса. Результаты работы могут быть положены в основу разработки инженерной конструкторской базы при использовании в будущем проектов процесса ТСФК для обработки промышленных сточных вод.
Экспериментальные исследования процессов аэробной биологической очистки сточных вод проводились на пилотных установках периодического и непрерывного типа. Испытаниям подвергались как необработанные (сырые) сточные воды, так и сточные воды, прошедшие предварительно осветление во флотационных установках многостадийного типа. По результатам сравнительного анализа данных предварительной обработки сточных вод в традиционных первичных отстойниках и во флотаторах определялась эффективности предварительной флотационной обработки и выдавались рекомендации по ее промышленному применению.
Измерения газового удержания
Чтобы исследовать влияние небольшого количества тонкодисперсных твердых частиц на газовое удержание, был испытан стеклярус как имитатор твердой фазы в 100 мм колонке. Концентрация стекляруса, примененного в экспериментах, составляла 0,5 мл/л, в то время как концентрации пеноотделителя изменялись от 0,01 до 0,03 мл/л.
Сравнение результатов газовых удержаний с и без твердых частиц приведено в табл. 3.1 Данные показывают, что газовые удержания в присутствии 0,5 мл/л твердых частиц очень близки к тем, которые имеют место в отсутствии твердых частиц. При определенных операциях газовые удержания с твердыми частицами немного больше, чем удержания без твердых частиц. Во всех случаях различия составляют меньше чем ±5 %. Ясно, что нет никакого существенного влияния на газовое удержание, когда введено небольшое количество ( 0,5 мл/л) тонкодисперсных твердых частиц. Поэтому, можно считать, что газовые удержания с небольшим количеством твердых частицам практически не отличаются от газовых удержаний без твердых частиц.Как было установлено при исследованиях в 100 мм колонке, стабильное газовое удержание составляло 20-50 %, в то время как нестабильные процессы преобладали при слишком низком ( 10 %) или слишком высоком ( 50 %) газовом удержании. Эта информация послужила установкой на проведение дальнейших исследований газового удержания. Чтобы исследовать влияния геометрии и управляющих (режимных) факторов на газовые удержания, был выполнен ряд экспериментов в 300 мм колонке. Были исследованы различные варианты воздушного распределителя, конусной перегородки, режимных параметра, типов пенообразователя, концентраций пенообразователя, и позиций подачи питания. После этого газовые удержания в 300 мм колонке были измерены и сравнены с аналогичными данными в 100 мм колонке. Влияние распределителя
При испытаниях были проверены два различных типа распределителей в 300 мм колонке: пористый металлический дисковый распределитель и многостержневой распределитель. Установлено, что распределитель с 4-мя стержнями может обеспечить площадь обрабатываемой поверхности в четыре раза большую, чем дисковый распределитель. В результате при заданном давлении воздуха многостержневой распределитель с большей площадью поверхности обеспечивает более высокую скорость (расход) газового потока и более высокое газовое удержание.
Приведенные в табл. 3.2 экспериментальные результаты показывают, что газовые удержания увеличиваются с поверхностной скоростью газа ПСГ.
Однако, из-за недостаточной обрабатываемой площади поверхности, газовые удержания с дисковым распределителем намного меньше, чем при использовании стержневого распределителя, особенно когда используются пенообразователь и высокие поверхностные скорости газа ПСГ. Например, при поверхностной скорости газа ПСГ 2,6 см/с и отсутствии пенообразователя, газовое удержание в средней стадии составляет только 5 % и 6 % с дисковым распределителем и стержневым распределителем, соответственно. Различия становятся более явными с пенообразователем при высокой поверхностной скорости газа ПСГ. При концентрации пенообразователя 0,1 мл/л и ПСГ равном 3.9 см/с газовое удержание со стержневым распределителем на 27 % выше, чем с дисковым распределителем.
Хотя дисковый распределитель более прост по конструкции, его недостаток, касающийся слабой генерации пузырей является очевидным. Поэтому, чтобы получить высокое газовое удержание, для последующих экспериментов был выбран стержневой распределитель. Влияние конусной перегородки Конусные перегородки применяются, чтобы направить поднимающийся пузырьчатый поток в вертикальную трубу верхней стадии и минимизировать обратное перемешивание между двумя смежными стадиями. Должным образом разработанная конусная перегородка очень важна, чтобы обеспечивать высокое газовое удержание в пределах каждой стадии. При проведении испытаний были проверены два различных проекта конусных перегородок, "короткий" и "длинный" конусы. Измерения газовых удержаний, полученные с двумя типами конусных перегородок при концентрации пенообразователя 0,01 мл/л, показаны на рис. 3.1. Результаты испытаний показывают, что "длинная" конусная перегородка приводит к более высоким газовым удержаниям, чем "короткая" при тех же самых условиях работы. Газовое удержание достигает 34 % в верхней стадии при поверхностной скорости газа ПСГ 3,9 см/с с "длинной" перегородкой, в то время как с "короткой" конусной перегородкой газовые удержания меньше, чем желательный диапазон ( 25 %) при всех условиях работы. Это говорит о том, что в области контакта (вертикальной трубе) аккумулируются недостаточно малые газовые пузыри и петлевые потоки являются слабыми. Возможной причиной может быть то, что промежуток между вытялшои трубой и верхним концом конуса является слишком большим для короткой конусной перегородки. Следовательно, часть малых пузырей убегают в трубу с нисходящим потоком вместо вертикальной трубы, что приводит к неудовлетворительному смешиванию между жидкой и газовой фазами и, следовательно, к неудовлетворительным характеристикам колонки. Таким образом, чтобы получить достаточные газовые удержания, рекомендуется установка "длинной" конусной перегородки.
