Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Флотационый способ сгущения активного ила 13
1.1 Экологическая оценка складирования осадков сточных вод и пути уменьшения их объемов 13
1.2 Флотационный способ сгущения ила и методы его интенсификации 26
1.3 Разрушение и устойчивость флотационных пен 30
Глава 2. Теоретические и экспериментальные исследования сжатия пенного слоя при напорной флотации с одной и двумя рабочими жидкостями 54
2.1 Теоретическое исследование сжатия пенного слоя сфлотированного активного ила 54
2.2 Экспериментальное исследование сжатия пенного слоя сфлотированного активного ила 64
2.3 Основы процесса разрушения пены, полученной с использованием раствора с02 80
2.3.1 Процесс диффузионного уплотнения 80
2.3.2 Функция роста укрупняющегося пенного пузырька 87
2.3.3 Обезвоживание пены в результате диффузионного переноса газа 92
2.4 Сопоставление результатов теории и эксперимента 102
Глава 3 Расчет основных параметров флотационного извлечения Активного ила из жидкости с двумя рабочими растворами 105
3.1 Основы расчета флотационного извлечения активного ила из жидкости 105
3.2 Расчет констант при флотации актиного ила с использованием двух рабочих растворов 106
3.3 Особенности флотационного извлечения при использовании двух рабочих растворов 117
3.4 Расчет флотационного аппарата, работающего с двумя рабочими жидкостями, на основе концепции многостадийного процесса .' 121
3.4.1 Система уравнений процесса напорной флотации 121
3.4.2 Методика определения необходимого времени флотационного илоуплотнения. '..122
3.4.3 Алгоритм и пример расчета флотационного илоуплотнителя, работающего с двумя рабочими жидкостями 130
Глава 4. Определение требуемого количества второго рабочего раствора і і 132
4.1 Растворение и рост газового пузырька, образованного легко- и труднорастворимыми газами 132
4.2 Качественная оценка требуемого количества легкорастворимого газа 134
4.3 Экспериментальное определение требуемого количества второго рабочего раствора. 143
4.4 Теоретическое определение требуемого количества второго рабочего раствора на ' Примере линейных функций 145
Глава 5. Аппаратурное оформление и рекомендации для внедрения 148
5.1. Конструкция флотомашины 150
5.2 Технико-экономическая оценка разработанных технических Решений 154
5.2.1 Определение снижения металлоемкости 155
5.2.2 Снижение затрат 156
5.2.3 Вьшоды и основные результаты 158
Список литературы 160
- Экологическая оценка складирования осадков сточных вод и пути уменьшения их объемов
- Теоретическое исследование сжатия пенного слоя сфлотированного активного ила
- Расчет констант при флотации актиного ила с использованием двух рабочих растворов
- Растворение и рост газового пузырька, образованного легко- и труднорастворимыми газами
Введение к работе
Актуальность работы. Современное развитие жилых комплексов, производственных предприятий, агропромышленных комплексов в России невозможно без внедрения природоохранных систем, что напрямую связано со строительством сооружений для очистки сточных вод. Еще на стадии проектирования очистных сооружений перед разработчиками ставятся две основные задачи: максимальное повышение эффективности работы оборудования и снижение затрат на внедрение очистных сооружений. Большую проблему представляют вопросы утилизации осадков сточных вод. Из-за наличия загрязняющих веществ промышленного происхождения они не могут быть использованы в качестве удобрений в сельском хозяйстве. Кроме того, обработка осадков является одним из наиболее сложных, трудоемких и энергоемких процессов. Основными задачами обработки осадков являются: максимальное сокращение их объемов (в 8-10 раз и более), т.е. обезвоживание, а также обеспечение экологической и санитарной безопасности при последующей утилизации. На большинстве станций аэрации, в том числе и московских, основным методом обезвоживания осадков является естественная сушка, которая осуществляется на иловых площадках. Однако уже, к середине 90-х годов ситуация с обработкой и размещением жидких осадков московских станций аэрации стала критической: из-за отсутствия мест вывозки подсушенного осадка имеющиеся площади иловых площадок заполнены; имеющееся оборудование механического обезвоживания изношено и постепенно выходит из строя; используемая технология кондиционирования осадка стала более затратной. Очистка сточных вод (особенно крупных объектов) невозможна без применения биологической очистки, поэтому разработка эффективной технологии по сгущению избыточного активного ила является одной из важнейших задач, которую приходится решать при проектировании очистных сооружений бытовых и промышленных сточных вод. Одним из
ведущих научно-исследовательских институтов, занимающимися исследованиями и разработкой микробиологических методов, является ОАО «ГосНРШсинтезбелок». В лаборатории «Утилизация и переработка отходов» этого института был открыт метод флотационного сгущения активного ила с использованием двух рабочих жидкостей, одна из которых является раствором труднорастворимого газа, а другая раствором легкорастворимого газа.
Движущей силой процесса является разность скоростей выделения газов, имеющих разные коэффициенты растворимости, из насыщенных растворов. В рабочей зоне флотационной камеры в первую очередь из раствора выделяется труднорастворимый газ, затем - легкорастворимый, который приникает непосредственно в газовые пузырьки тем самым, увеличивая скорость флотации. В зоне сбора и накопления пенного продукта труднорастворимый газ практически не оказывает влияния, основную роль играет легкорастворимый газ, который за счет разности давления в пузырьках трехфазной флотационной пены вносит результирующий эффект в диффузию газов, что приводит к изменению пенной структуры и обезвоживанию пенного продукта в целом.
Совместное использование двух газов с разными растворимостями, например воздух и углекислый газ, позволяет в несколько раз повысить степень обезвоживания активного ила и повысить скорость флотационного извлечения. С точки зрения технико-экономических показателей увеличение скорости флотации и сгущения позволяет снижать рабочие габариты аппаратов, что приводит к удешевлению строительной стоимости комплекса в целом. За счет влияния легкорастворимого газа степень обезвоживания флотационной пены повышается в несколько раз, что в свою очередь приводит к получению продукта, не требующего дальнейшего сгущения, поэтому не требуется дополнительно оборудование, применяемое в классических схемах.
Предлагаемый метод может эффективно применяться на очистных сооружениях. При этом возможны две схемы аппаратурного воплощения. Вариант I. Если при биологической очистке предусмотрено извлечение биогенных элементов, в частности аммонийного азота, при помощи метода нитри- денитрификации, то в анаэробных областях за счет жизнедеятельности микроорганизмов образуется достаточное количество легкорастворимого газа (углекислого газа, метана, сероводорода и т.д.). Именно этот газ и образует второй рабочий раствор - насыщенный раствор легкорастворимого газа. Активный ил, содержащий жидкость с такими газами подают во флотокамеру (см. рис. А).
Вариант II. Если в технологической схеме не предусмотрены сооружения с анаэробными зонами, или же невозможен забор и использование жидкости из этих зон, то второй рабочий раствор получают также как и первый, путем насыщения рабочей жидкости газом в сатураторе. Для получения первого рабочего раствора в сатуратор подают воздух, для получения второго раствора - углекислый газ (см. рис. Б).
BO30LJX
Пенный
І робочий
Сатуратор
-о»
растбор
проОукт
от компрессора.
, о|
BoQq
ФлотокамЕра
Жидкость с илом из анаэробной зоны (II рабочий растбор )
Осбетленная
боЗа
Рис. А. Принципиальная схема аппарата для сгущения активного ила с двумя
рабочими жидкостями I вариант.
растбор
ВозЗух
от компрессора
ВоЭа ЖиЗкость с илом
рабочий
Флотокамера
Пенный
продукт
-о-
рабочий
СО,
ВоОа
Осветленная
&D0Q
Рис. Б. Принципиальная схема аппарата для сгущения активного ила с двумя
рабочими жидкостями II вариант. В обоих схемах на выходе получают сгущенный активный ил в виде компактного пенного продукта, готового для утилизации, и осветленную воду, которую возвращают в начало очистных сооружений для доочистки или подают в сатуратор для приготовления рабочего раствора. Применение такого метода является перспективным для повышения эффективности сгущения избыточного активного ила на таких объектах, как городские очистные сооружения, локальные очистные сооружения предприятий пищевой, нефтеперерабатывающей, t микробиологической отрасли, мясокомбинаты, птицефабрики, пивоваренные заводы и другие предприятия на которых используется биологическая очистка сточных вод.
Цели и задачи. Целью настоящей работы является повышение эффективности сгущения избыточного активного ила, разработка механизма пенного концентрирования с флотированного ила с использованием двух рабочих жидкостей и определение основных параметров флотационного извлечения активного ила.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
Провести экологическую оценку влияния увеличения объемов складирования осадков сточных вод и предложить пути их уменьшения.
Провести комплексное исследование по повышению эффективности сгущения активного ила с использованием двух рабочих жидкостей, одна из которых является раствором углекислого газа.
Изучить механизм влияния углекислого газа на процесс пенного концентрирования активного ила методом напорной флотации.
Провести экспериментальное исследование влияния раствора легкорастворимого газа на процессы флотационного извлечения хлопьев активного ила.
Разработать метод расчета основных параметров флотационного сгущения активного ила и методику расчета флотационных илоуплотнителей с использованием двух рабочих жидкостей.
Определить технико-экономические оценки предлагаемых технических решений.
Научная новизна. В ходе исследования получены следующие наиболее важные результаты:
Впервые предложен механизм концентрирования активного ила в пенном слое, учитывающий диффузионный перенос газа.
Исследовано и проанализировано влияние раствора легкорастворимого газа на интенсификацию флотационного илоуплотнения: установлено, что лимитирующей стадией является не пенное концентрирование, а флотационное извлечение хлопьев активного ила; определено изменение скоростей подъема флотокомплексов; получены зависимости, описывающие изменение концентрации ила в пене от времени.
Экспериментальным и теоретическим путем впервые определено требуемое количество раствора легкорастворимого газа, интенсифицирующего процесс флотационного илоуплотнения.
Впервые разработан метод расчета основных параметров флотационного сгущения активного ила с использованием двух рабочих жидкостей.
Достоверность результатов. Эксперименты проводились на специальном аттестованном лабораторном оборудовании. Теоретические исследования и выводы строились на основе классических законов и использовании стандартных методик, изложенных в известной литературе. Расхождение в
значениях величин,, полученных в, теоретических ш.экспериментальных
исследованиях, не превышает 10-15%. ; '
Практическая значимость и реализация результатов: В! проведенной* работе, разработана, методика; расчета, флотационных илоуплотнителей;. работающих с двумжрабочими'.жидкостями..Такиегаппараты обладают рядомі преимуществ по?сравнению;с.известными:
1., Сокращается времяшшовышается^эффективность.пенного уплотнения;: 21 Лимитирующим этапом флотационногоіилоуплотненияіявляется'(не'стадия5 .' пенного* концентрирования, а флотационный» процесс: извлечения?хлопьев; активного; илаіизжидкости;: 3; Скорость, флотационного* процесса повышается; примерно,- в;; 2" раза; что приводит к; существенному уменьшению рабочего объема- флотокамеры..,
Таким*: образом;, применение исследуемогоь метода? позволяет внедрять компактные1 флотационные: аппараты, себестоимость, которых: снижается: примерное 1!,8:раза:
Флотационный? аппарат,/работающий с двумя, рабочими? потоками, спроектированный на;, основе предложенной^ методики; был. заложен в< проекты реконструкцию очистных-; сооружений- ЗМ)г. «Петелинскаяі птицефабрика» (Московская область),, локальных: очистных, сооружений? ММП-і им: ВШ1 Чернышева;, заводских очистных: сооружений^ японскош фирмы ;«АССЇЇлас Флэт Клин» (Московскаяюбласть): Краткоесодержание и основные результаты работы;
Во* введении- обосновывается^ актуальность проблемы, формулируется! цель работы, характеризуется- научная? новизна и- достоверность, результатов;, описывается- практическая ценность, полученных, результатов; &., также: приводятсяшопросы, которые выносятсяша:защиту..
В первой: главе рассматриваются: современные: широко применяемые: в. отечественной и зарубежной} практике: способы, уплотнения; активного ила,. среди: которых особо выделяют центрифугирование, .гравитационное и флотационное илоуплотнение. ' Сделан вывод о том, что наиболее
оптимальный способ сгущения активного ила - флотация. Проведен обзор патентной литературы с целью выявления новейших методов, интенсифицирующих процессы флотации. Кратко описан исследуемый способ флотационного илоуплотнения с использованием двух рабочих потоков, один из которых образован раствором труднорастворимого газа, а другой — раствором легкорастворимого газа и изложены его достоинства по сравнению с классическим методом напорной флотации. Сделан вывод об особой важности процессов протекающих в пенном слое при использовании флотационного илоуплотнения с двумя рабочими жидкостями, описаны, приведенные в отечественной и зарубежной литературе, общие закономерности поведения пен, в том числе разрушение и устойчивость. В связи с результатами, полученными в ходе литературного обзора, поставлены задачи теоретического и экспериментального исследований. Основной задачей является выяснение механизма влияния легкорастворимого газа на сжатие пенного слоя с флотированного активного ила.
Во второй главе на основе существующих теоретических представлений о разрушении пены рассматривается процесс сжатия пенного слоя за счет влияния легкорастворимого газа. Основная задача, решаемая в этой главе, -получение теоретической зависимости, описывающей изменение пенного объема от времени. По мнению большинства авторов, занимавшихся изучением пенного разрушения, можно пренебречь стадией диффузионного переноса газа. Поэтому во второй главе рассмотрен процесс сжатия пенного слоя, состоящий из двух этапов: истечение жидкости и разрыв пленок. Полученные во второй главе результаты ставят задачу о необходимости проведения эксперимента для сравнения разработанной теории с экспериментальными исследованиями.
В этой же главе описываются результаты, полученные при проведении экспериментальных' исследований, направленных на изучение влияния раствора легкорастворимого газа на сгущение активного ила. При помощи
полученных результатов* определили функции; описывающие зависимость высоты, пены от времени, и наложили их на экспериментальный график, дляї проверки правильности выбранной теории:.
Результаты, свидетельствуют о хорошей, сходимости*только в начале- и конце
процесса пенного^ разрушения; поэтому был сделан вывод, о наличии
промежуточной стадии; at именно; стадииг диффузии;. Следовательно,
доказано, что при использовании; легкорастворимых газов в процессах;
пенного^ образования и уплотнения' нельзя пренебрегать этапом;
диффузионного уплотнения1 пены, как; это делают многие исследователи.
Поэтому в этой главе подробно рассматривается теория диффузионного
разрушения; двухфазных пен; и- данная теория применяется? ..к, трехфазной
флотационной пене. Выбрана модель. Лемлиха,. описывающая- поведение*
укрупняющегося, пузырька, которая;учитывает природу газа наполнителя, и
получено решение уравнения: ' .'''
dr 2-J-ct-RT
(Х. Л\
\гф r J
'. :' dt . , Р
На основе полученного уравнения» предложена: модель истечения; жидкости из трехфазной' пены за счет диффузионного укрупнения пенных пузырей; теоретически и экспериментально доказано-значительное ускорение процесса уплотнения трехфазной; флотационной пены за; счет влияния углекислого1
.газа.'. .''.. '.'/''' ' -.
Предложенная теоретическая . модель- показала; что в процессах
флотационного уплотнения избыточного активного ила: с использованием
двух рабочих жидкостей основополагающей является стадия флотационного;
извлечения, а не стадия пенного концентрирования^ как в классическом
методе напорной флотации. Ставиться задача получения новой методики
расчета флотационных илоуплотнителей; работающих с двумя растворами. .
В^третьей главе разрабатывается; методика расчета илоуплотнителя. в основу
работы которого положен изучаемый механизм. .
Рассмотрено влияние; второго рабочего раствора на процесс флотационного извлечения ила с точки зрения многостадийной концепции флотационного
ю .
процесса, проанализированы все константы, входящие в систему уравнений,
описывающих флотацию. Демонстрируется графическое решение данной
системы для двух вариантов метода напорной флотации: метода,
работающего с одним рабочим раствором, и для метода, работающего с
двумя рабочими растворами.
Благодаря полученным решениям системы можно проводить обоснованные
расчеты флотокамер, отступая от рекомендации СНиП 2.04.03-85. В этом
параграфе излагается методика расчета аппаратов в зависимости от
поставленных начальных условий.
В четвертой главе теоретически и экспериментально определяется
необходимое количество второго рабочего раствора. Расхождение не
превышает 10%, что подтверждает правильность принятой теории.
В пятой главе описывается конструкция флотационной машины напорного
типа работающей с двумя рабочими потоками: насыщенным раствором
воздуха, приготавливаемым искусственно в сатураторе, и раствором
легкорастворимых газов, образующимся в результате анаэробных процессов,
протекающих при очистке сточных вод. Описываемый флотационный
аппарат заложен в проект реконструкции очистных сооружений ЗАО
«Петелинская птицефабрика».
Сравнивается снижение капитальных затрат на внедрение флотационного
аппарата, на примере традиционного метода напорной флотации. При
внедрении исследуемого метода капитальные затраты снижаются в 1,8 раза.
На защиту выносятся:
Интенсификация флотационного илоуплотнения за счет применения раствора легкорастворимого газа.
Модель диффузионного уплотнения пены и обезвоживания пенных каналов.
Результаты теоретического и экспериментального исследований пенного концентрирования при использовании раствора углекислого газа.
4. Метод расчета основных параметров флотационного процесса и методика расчета флотационного илоуплотнителя с использованием двух рабочих жидкостей. Апробация работы. Материалы отдельных разделов диссертации докладывались и обсуждались на общеуниверситетской научно-технической конференции «Студенческая научная весна 2005»; «Студенческая научная весна 2006»; а также на международных конгрессах «Вода: экология и технология» ЭКВАТЕК-2004; «Вода: экология и технология» ЭКВАТЕК-2006; «Вода: экология и технология» ЭКВАТЕК-2008; «Водоотведение и утилизация осадков» IWA 2006.
Экологическая оценка складирования осадков сточных вод и пути уменьшения их объемов
Проблемы хранения и утилизации осадков очистных сооружений канализации особенно в крупных городах является одной из актуальных экологических задач и находится в постоянном развитии по мере совершенствования технологии очистки городского стока.
Спецификой является то обстоятельство, что со сточными водами по системе общесплавной канализации на станции аэрации ежедневно поступают химические вещества от промышленных предприятий, в том числе вещества 1 и 2-го классов опасности. Концентрируясь в осадках и в активном иле при обработке осадка, они делают его экологически опасным и практически исключают возможность использования в сельском хозяйстве.
Совершенствование системы очистки сточных вод на городских сооружениях, повышение её эффективности, ввод в эксплуатацию новых мощностей, улучшение санитарного состояния города - все это ведет к увеличению объемов образующегося осадка.
Основными экотоксикантами, содержащимися в осадках очистных сооружений, являются цинк, кобальт, хром, свинец, медь. Распределение их по различным иловым площадкам не одинаково. Такие загрязнители, как цинк, фтор, мышьяк, ртуть, равномерно присутствуют в осадках всех полигонов и площадок. Четко прослеживается зависимость степени загрязнения осадков от бассейна канализования и влияния на неё конкретных промышленных объектов.
Осадки по степени химического загрязнения можно условно разделить на 3 уровня загрязнения.
Следует отметить чрезвычайно низкое содержание в осадках подвижных форм экотоксикантов (2-5%) при сравнительной оценке долей этих форм, например, в почвах Санкт-Петербурга не менее 7-12%. Это обстоятельство вероятно характеризует достаточно прочные химические связи элементов в субстрате осадков.
Однако практика показывает, что места хранения осадков могут быть использованы как для обезвреживания последних (например, компостирования), так и для их подготовке к утилизации (приготовление растительных грунтов).
Учитывая острую потребность города в почвенно-растительных смесях и достаточно высокий уровень фонового загрязнения почв города химическими экотоксикантами необходимо, регламентировать условия использования компостов на основе осадков очистных сооружений в зависимости от показателя суммарного химического загрязнения, при этом обеспечивая гарантию неухудшения экологической и гигиенической обстановки и сокращаются объемы складирования осадков.
Критериями пригодности почв для внесения в них осадка городских сточных вод является топография и уклон местности, текстура, водонепроницаемость и дренаж почв, поверхностный сток и эрозионные процессы, затопляемость территории, величина влагоемкости почв, глубина залегания грунтовых вод, рН почвы, емкость катионного о.бмена почвы, содержание в ней тяжелых металлов и возможность защиты источников водоснабжения населения. Исключается использование осадка на почвах и глинистых уплотненных почвах с очень низкой и чрезмерно большой водонепроницаемостью, а так же оголенных плохо дренированных почвах, где возможно периодическое избыточное увлажнение верхнего 50-см слоя,, поскольку рН почвы оказывает существенное влияние на степень подвижности в ней тяжелых металлов, увеличивая или уменьшая их абсорбцию растениями. На кислых почвах с рН менее 5.5 вообще не следует применять осадок сточных вод. Почвы с рН 5.5-6.5 должны предварительно известковаться до величины рН, превышающей 6.5. , Конечно, не все осадки в силу своей токсичности могут быть утилизированы в сфере зеленого строительства или почвообразования. В любом варианте пути решения проблемы имеются. Технологические процессы очистки сточных вод, осуществляемые на станциях аэрации, обеспечивают выделение загрязнений в виде сырого осадка на стадии первичного отстаивания и активного ила из вторичных отстойников на стадии биологической очистки. Проведенный анализ условий формирования объема и состава избыточного активного ила позволил установить, что при биохимической очистке 1000 мЗ муниципальных сточных вод образуется 1600-1800 л избыточного активного ила влажностью 98% или 250-300 л обезвоженного ила влажность 85%. Основными задачами обработки осадков являются: максимальное сокращение их объемов (в 8-10 раз и более), т.е. обезвоживание, а также обеспечение экологической и санитарной безопасности при последующей утилизации.
Технология обработки осадков, применяемая на большинстве станций аэрации (в том числе и московских), сложившаяся еще в 70-е годы, включала в себя анаэробную стабилизацию в метантенках при термофильном режиме (53С), промывку сброженных осадков технической водой и уплотнение в гравитационных уплотнителях, обезвоживание на механических аппаратах или естественную сушку на иловых площадках.
Основной проблемой в реализации технологий механического обезвоживания являются чрезвычайно плохие водоотдающие свойства осадков, в особенности термофильносброженных. Это выражается в том, что данные осадки практически не отдают воду ни при отстаивании, ни при напорной фильтрации через фильтрующие ткани. Поэтому ключевой стадией процесса механического обезвоживания осадка является его кондиционирование, т.е. придание ему хороших водоотдающих свойств. В России на станциях аэрации до середины 90-х годов основным методом обезвоживания являлась естественная сушка осадков, которая осуществлялась на иловых площадках. Площадки сооружаются на естественном и искусственном основании, с наличием и отсутствием дренажа. Наибольшее распространение для обработки сброженных осадков нашли иловые площадки каскадного типа. Именно эти площадки применялись до последнего времени. Минимальный цикл обработки осадка на иловых площадках составляет 1 год. За этот период времени его влажность снижается с 96 до 87%. В настоящее время для ускорения естественной сушки осадков применяется механическое обезвоживание, после которого осадки складируют на иловых площадках (см. табл. 1.1).
Теоретическое исследование сжатия пенного слоя сфлотированного активного ила
Проведенный выше анализ литературных данных позволяет сформулировать подход к изучению влияния лекгорастворимого газа на сжатие пенного слоя, обусловленного двумя основными процессами, а именно его разрушением и устойчивостью. Рассмотрим более подробно процесс разрушения пены, который включает три стадии: 1. истечение междупленочной жидкости из каналов Платто; 2. диффузию газа; 3. разрушение пленок. Для определения зависимости, описывающей общий процесс разрушения столба пены, следует использовать сумму функций, описывающих каждую стадию отдельно.
В соответствии с рекомендациями авторов многих научных трудов [например, 134] для упрощения зависимости пренебрегли стадией диффузии газа. Поэтому на разрушение пены влияет истечение межпленочной жидкости и разрушение пленок. Таким образом, рассматривая изменение объема в бесконечно малых приращениях, записали: dVnmbl=dV'+dVu (2.1) ГДЄ dV1 - изменение объема пены за счет истечения жидкости из каналов Платто, dVH - изменение объема пены за счет разрушения пенных пленок. 54 Истечение жидкости происходит под действием капиллярных и гравитационных сил. Анализируя работы [78, 134], процесс истечения жидкости разделяется на три этапа. В этих же работах выделяют различные модели, описывающие процесс, причем составляющая гравитационных сил во всех моделях постоянная, отличие моделей состоит в составляющей капиллярных сил. В соответствии с формулой (1.2) скорость разрушения пены определяется выражением: — = k(V0-V)r"'\ Эта формула представляет собой dr дифференциальное уравнение процесса и является первой моделью истечения жидкости (разрушения пены), где V - объем вытекшей воды за время т. Разделяя переменные в уравнении, получили следующее выражение: dV = k(V0-Vy-]dt . (2.2) где V— объем воды вытекающий за время т; V0 — начальный объем воды в пене; к — константа; п — постоянная, определяемая условиями пенообразования; т — время.
Проинтегрировали уравнение (2.2) с граничными условиями (при т=0 V=0) и получили скорость истечения воды из пены под действием капиллярных сил: V^-V^e^) (2.3) В зависимости от времени объем вытекшей воды изменяется от 0 до V0. Кроме того, следует отметить, что вместе с капиллярными силами на скорость истечения влияют и гравитационные силы, за счет которых происходит истечение жидкости из вертикальных каналов Платто. Скорость истечения воды за счет гравитационных сил определяется по формуле (1.4). Выражение (1.4) представляет собой дифференциальное уравнение процесса разрушения пены в результате гравитационного истечения воды, где V — объем вытекшей воды за время т. Разделяя переменные в уравнении, получили следующее выражение: dV = 0,5BV0(Br + iymdT (2.4) 55 Решив уравнение (2.4) получили, что объем вытекающей воды под действием сил гравитации определяется по формуле: В выражении (2.5) V— объем воды вытекающий за время т; Vo — начальный объем воды в пене; В — константа; т — время. Для того чтобы определить суммарный объем воды, вытекшей за время т, просуммировали объем жидкости, вытекшей под действием капиллярных сил, и объем жидкости, вытекшей под действием гравитационных сил: * истеч-* кап"' * грав V-^-Oj V =V +V = ' истеч ' кап грав = IK - V0e-" ] + [V0 - -тіЦ] = 2V0 - V0 (є""" + -7=—) yjBr + l ыВт + \ VHCTe4 ~ объем воды, вытекшей из пены. Изменение объема пены при ее разрушении в результате истечения воды определили как разность: Vті - Vті -V (1 1\ истеч 0 ' истеч \-^ш ' J Где Vo11 - начальный объем пены. Для упрощения искомой зависимости на данном этапе изучения функции приняли следующее допущение: У"=Ус (2.8) Т.е. начальный объем пены (Vo11) равен начальному объему воды в пене (V0). Тогда, с учетом принятого допущения формула (2.7) упрощается следующим образом: Ki. = 2»i-n<.~-+:7-l-) (2.9) По формуле (2.9) теоретически можно определить объем пены, оставшейся в момент времени т в результате истечения жидкости, описываемого первой моделью истечения жидкости. Графическое представление уравнения (2.9) показано на рис. 2.1. 56 V, л МП VA _1—г—i—г-т f-T—> t, МИН Рис. 2.1 Первая модель уменьшение объема пены в результате истечения жидкости: 1 - е'аг" 2 - - 3 - V (е~аг" + . V 4 - Vn = 2V -V (е~ат" +—=^=\ -jBr + l ^JBt + l V5r + 1 В соответствии с формулой (1.7) по второй модели скорость истечения воды, а, следовательно, и скорость разрушения пены, может определяться с помощью выражения: V = on \ + и0кт/2 ( 2^ k = - V К; Эта формула представляет собой уравнение процесса истечения воды (разрушения пены), где V - объем вытекшей воды за время т; и0 - начальная скорость истечения воды; Vo -объем воды в начальный момент истечения; к - константа. Если рассматривать величины щ, к как произвольные константы, то формула V = v0 принимает вид, описанный во многих работах [9, 1 + идкт/2 ' -і 134]. Аналогично, формула V = VQ-V0(e~aT") при произвольном значении констант описана в других работах [24], изучающих процессы истечения, жидкости под действием капиллярных сил. Таким образом, авторы, работавшие над изучением истечения жидкости из пен под влиянием капиллярных сил, создали две модели данной теории, которые представлены в табл. 2.1. 57 Таблица 2.1 Модели истечения жидкости из пен под влиянием капиллярных сил. Вид функции, описывающей истечение жидкости из пены I модель II модель V = V0-V0(e-k') V-D Т У — t/gX + v^kr Также как и в первой модели, вместе с капиллярными силами на скорость истечения влияют и гравитационные силы, за счет которых происходит истечение жидкости из вертикальных каналов Платто. Скорость истечения воды за счет гравитационных сил определяется выражением (1.2), проинтегрировав которое с использованием начальных условий (в начальный момент времени количество вытекшей* из пены воды равно нулю), определили зависимость V(x) в виде V = V0—, (см ыВт + \ формулу 2.5). Суммарный объем воды вытекшей за время т определили по формуле 2.6 V = v, г \ + и0кт/2 V =V +V = истеч кап грае \ + v0kvl2 уІВт + l V0+voT ыВт + \ V0+rv0 ыВт + \ VHCTe4 - объем воды, вытекшей из пены. Изменение объема пены при ее разрушении в результате истечения воды определили по формуле (2.7) как уП = уп —V п разность: истеч истеч. Где V0 - начальный объем пены. Для упрощения искомой зависимости на данном этапе изучения данной функции приняли допущение (2.8) = , т.е. начальный объем пены (V0n) равен начальному объему воды в пене (V0).
Расчет констант при флотации актиного ила с использованием двух рабочих растворов
Константа kl характеризует процесс образования флотокомплекса частица-пузырек в самый начальный момент его зарождения - процесс захвата пузырьком хлопка активного ила. Математическая зависимость для определения константы kl для метода напорной флотации в литературе отсутствует, поэтому приближенно ее можно определить из формулы [86]: где К - коэффициент пропорциональности, Е - вероятность образования флотокомплекса, t - время, (с). Поскольку метод напорной флотации отличается высокой вероятностью образования флотокомплексов, то Я «1,(100%) (3.3) С учетом (3.3) выражение для определения константы kl (3.2) можно представить в виде: к -К-1 (3.4) В случае сгущения активного ила с использованием двух рабочих традиционном методе напорной флотации. При-высокоскоростном истечении-струи водовоздушной смеси из сатуратора во-флотокамеру за, счет резкого перепада давления, из жидкости выделяется воздух. Этот воздух в виде микропузырьков зарождается на хлопьях активного ила. Раствор легкорастворимого газа оказывает свое.влияние на рост газового8пузырька значительно позже — именнотогда, когда уже образовалсякомплекс частица-пузырек воздуха. Это подтверждают и опыты, в которых во флотокамеру в разной последовательности вводились» насыщенные растворы газові с различной растворимостью: Если- в камеру флотации сначала подать раствор воздуха, а затем раствор- легкорастворимого газа;, то процесс флотации начинаетсяг мгновенно и постепенно - ускоряется. То же самое наблюдается при одновременной подачи газов. Если жевшервую1 очередь во флотокамеру подать раствор легкорастворимого газа, а, только затем раствор воздуха; то процесс флотации начнется только после подачи раствора» воздуха. Эти! эксперименты подтверждают то; что в . начальный момент из растворов выделяются труднорастворимые газы. Таким образом, видно, что- на начальной стадии легкорастворимый газ не оказывает никакого влияния, на процесс слипания частицы с пузырьком. Это означает, что константа kl не изменяется» в результате использования второго рабочего раствора:
Константа к2 характеризует разрушение комплексов частица-пузырёк. Для анализа процесса разрушения комплекса, необходимо исследовать уравнение баланса сил, действующих на пузырек: Fl=F2+m4g+f (3.5) Fl , F2- капилярные силы соответственно прилипания4 и отрыва; m4g — масса частицы; f - гидродинамическая сила отрыва; Константу к2!, можно определить из соотношения, [86]: k2=npvmGp - (3.6) 2 EN v J где G - градиент скорости; Е — эффективность захвата хлопьев активного ила всплывающим пузырьком газа; N — параметр, характеризующий прочность связи между хлопьями и пузырьком газа; М - отношение диаметра 107 хлопка к диаметру пузырька; d - диаметр частицы активного ила; v -кинематическая вязкость суспензии; п - концентрация флотокомплексов частица-пузырек; р - плотность жидкости; р,т - коэффициенты (1 р 2; m = 2/3). Поскольку эффективность образования флотокомплексов близка к 100%, то выражение (3.6) может быть представлено в виде: k2=npvmGp -г— (3.7) При напорной флотации во флотокамере обстановка спокойная, режим ламинарный из-за медленных скоростей подъема микропузырьков, поэтому к2 стремится к нулю. Экспериментальные исследования показывают, что после введения раствора углекислого газа и выделения самого газа увеличиваются пузырьки, входящие в состав флотокомплексов, в несколько раз и соответственно увеличиваются скорости подъема. N — параметр, характеризующий прочность связи между частицей и пузырьком газа уменьшается, М - отношение диаметра частицы к диаметру пузырька увеличивается. В этом случае константа к2 может несколько возрастать по сравнению с обычным режимом флотации. Но определить новое значение константы достаточно сложно из-за отсутствия данных, характеризующих гидродинамическую обстановку вблизи растущего пузырька и движущегося флотокомплекса. В формулу 3.7 входит значение градиента скорости, естественно, при увеличении турбулентности среды возрастет и сам градиент скорости G, оказывающий наибольшее влияние на поведение константы к2, но количественно оценить это увеличение очень сложно. Константа кЗ характеризует транспорт комплексов частица-пузырек из жидкости в пенный слой [86], она определяется с помощью соотношения k3= f- (3.8) h где упод - скорость подъема флотокомплекса пузырек-частица; h - расстояние от зоны аэрации до пенного слоя (глубина флотокамеры). В большинстве случаев [84, 86] у1ЮД, можно определить по формуле 108 v _s[dl{pm p)-dl{p-p.-)} n m где g - ускорение свободного падения; рт, рг - плотность твердой и газовой фазы; р, - динамическая вязкость жидкости; dr - диаметр газового пузырька. Введение раствора легкорастворимого газа приводит к значительному увеличению размеров пузырька, а, следовательно, как показывает формула 3.9 к увеличению скорости подъема, что является важнейшим показателем интенсификации процесса. Поэтому необходимо подробно исследовать изменение размеров пузырьков и скоростей их подъема.
Растворенный в напорных резервуарах (сатураторах) воздух выделяется из воды при понижении давления, что и используется в установках напорной флотации.
Надежное слипание флотируемых частиц с пузырьками воздуха обеспечивается за счет того, что при напорной флотации размер пузырька минимален и выделяется непосредственно на извлекаемой частице.
Минимальный размер пузырька воздуха, образующегося при сбросе давления прямо пропорционален поверхностному натяжению на границе раздела фаз и обратно пропорционален перепаду давления (чем больше перепад давления насыщения и атмосферного давления, тем меньше размер пузырька). 2сгг R (ЗЛО) _ г ж mm pl_p2 где Rmm — минимальный радиус пузырька, мм; стг.ж. — поверхностное натяжение на границе раздела газ-жидкость, Н м; Р1-Р2 - перепад давления, Па.
Из формулы видно, что чем меньше поверхностное натяжение и чем больше перепад давления, тем меньше размер зарождаемого пузырька. Поверхностное натяжение зависит от свойств очищаемой воды и наличия в ней поверхностно-активных веществ. Учитывая это, можно было бы предусмотреть введение дополнительных реагентов, уменьшающих поверхностное натяжение, однако это крайне нежелательно. Более приемлемо получение: минимального! размерам пузырька- путем- увеличения перепада давления, т.е: путем насыщения:; воды воздухом? под повышенным давлением и последующим его резким понижением;до атмосферного:.
Минимальный; размер пузырька выделяющегося в начальный момент истечениям жидкости из; сатураторам определили для температуры 20?( прис которой поверхностное натяжение водьгравногТЗЫН/м; давление насыщения 8 атмі.(0 8іМИа)..Расчетное;значение;составляет іп =2Г 10"5лш;
Растворение и рост газового пузырька, образованного легко- и труднорастворимыми газами
Применительно к процессу сгущения активного ила методом напорной флотации концепция многостадийного процесса была упрощена и записана в виде следующей системы дифференциальных уравнений, описывающей 121 — —kxCA + fc6CA !L = kicA-k3CB . (3.14) известный процесс напорной флотации, как набор трёх обратимых циклических переходов вещества между тремя состояниями (см. рис. 3.1). dC, dt dC dt —— = k3CB + k6Cc dt Такая система дифференциальных уравнений позволяет определить необходимое время флотационного извлечения, которое является лимитирующей стадией. Ниже приведено решение системы 3.14 при помощи численных методов. 3.4.2 Методика определения необходимого времени флотационного илоуплотнения. Определение кинетических констант, kl - коэффициент, определяющий скорость перехода частицы загрязнения из свободного состояния к состоянию, пузырёк-частица к1 := к— - на основе экспериментальных данных и сведений [86] количество хлопьев активного ила выпадающих из пенного слоя не превышает 40% Начальные условия: начальная концентрация хлопьев активного ила во флотокамере 100%; концентрация хлопьев во флотокамере в начальный момент времени СО; концентрация флотокомплексов во флотокамере в начальный момент времени равна «0»; концентрация; хлопьев в пене в начальный момент времени равна «0». Иначе начальные условия можно " Сп:=-1 Сд(0) = С0 Єв(0)= 0 Сг(0) = 0 представит в виде: А и D г 0:8 0.4 о о . C(t) 1 500 1000 1500 2000 Рис. 3.5 Решение системы уравненийЗ. 14; описывающих метод напорной флотации. Сд — концентрация активного ила в суспензии; Св — концентрация флотокомплексов; Сс - концентрация активного ила в пенном продукте. t, с 123 Из; анализа!,концепции, многостадийного; флотационного/ процессам [86]; протекающего с. двумя; рабочими: жидкостями? (раствором; воздуха , и раствором?, углекислого газа)-, получили частный случай- системы, описывающей;флотационный процесс, совпадающий с системой;3:I4i. Ниже приведено решение системькЗі 1-4-для;методаїсгущения активногошла"с: добавлениемшторогофабочегограствора, полученное: пришомощи; численных методов. Определение кинетических констант.. , . Ш -коэффициент,,определяющий»скорость.перехода частицькзагрязнения из своб6дного.состояния:ксостоянию1пузырёк-частица Второй рабочишрастворзде оказываетвлиянияшаконстанту Mv, k3 - коэффициент, определяющий скорость перехода? частицы; из состояния: пузырёктчастицш вздену , ; Второш рабочий раствор значительно!- увеличивает . скорость подъема; флотокомплексов, которая может достигать, 10)мм/с, в расчете принялш среднее значение;, полученное в? результате: экспериментальных: исследований: .,. . Ісбі- коэффициент,.определяющийгскорость выпадения хлопьев активного ила ;. из пенного елОЯІ в зону аэрации Раствор легкорастворимого-газа увеличивает стабильность пенного слоя; что; должен: отражать, коэффициент, пропорциональности; однако? задача определения-.. коэффициента: не ставилась,, поэтому для определения: кб! воспользовались существующешформулой:, Начальныеусловияшриняли такие же как и в известном.способе Решение; системы (3.14)= для- исследуемого способа напорнош флотации с добавлением легкорастворимого: газач представлено? в приложении- 6; графическое решение приведено нафисгЗІб: Сд - концентрация активного ила в суспензии; Св - концентрация флотокомплексов; Сс - концентрация активного ила в пенном продукте. Из анализа концепции многостадийного флотационного процесса [86], протекающего с двумя рабочими жидкостями (раствором воздуха и раствором углекислого газа), получили частный случай системы, описывающей флотационный процесс, совпадающий с системой 3.14. Для сравнения результатов на одном графике привели решения двух систем полученных по методу Ксенофонтова: первая система (Сд, Св, Сс) описывает метод напорной флотации с использованием одного рабочего раствора — раствора воздуха; вторая система (С1д, Сів, С 1с) описывает метод напорной флотации с использованием двух рабочих растворов (воздуха и углекислого газа). Графические решения приведены на рис. 3.7.
