Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Эффективность оборотных систем водопользования . 8
1.1. Оборотные системы водопользования и пути их совершенствования 8
1.2. Флотационная очистка сточных вод 17
1.2.1. Флотационные машины и аппараты 19
1.2.2. Основы многостадийной флотации 25
1.3. Основы теории коалесценции 29
1.4. Возможности доочистки сточных вод фильтрованием 37
1.4.1. Фильтрующие элементы 42
1.4.2. Фильтрующие материалы 47
Глава 2. Флотация на основе многостадийной модели в установках пневматического типа . 52
2.1. Исследование процесса флотации взвешенных веществ 52
2.2. Флотация гидрофобных загрязнений 56
2.3. Флотация на основе многостадийной модели с учетом коалесценции флотокомплексов 62
Глава 3. Доочистка сточных вод фильтрованием 77
3.1. Методики определения гидрофобных загрязнений и взвешенных веществ 77
3.2. Результаты экспериментальных исследований по доочистке сточных вод фильтрованием 85
Глава 4. Разработка методики расчета комбинированной флотомашины с фильтрующими элементами . 100
Глава 5. Технико-экономическое обоснование внедрения комбинированной флотационной машины с фильтрующими элементами и рекомендации для внедрения. 108
Выводы 116
Список литературы 117
- Оборотные системы водопользования и пути их совершенствования
- Исследование процесса флотации взвешенных веществ
- Методики определения гидрофобных загрязнений и взвешенных веществ
- Результаты экспериментальных исследований по доочистке сточных вод фильтрованием
Введение к работе
Актуальность исследования. Проблема очистки сточных вод, содержащих, нефтепродукты является, достаточно актуальной, из-за распространенности и универсальности этих загрязнений и решается, как правило, в многоступенчатых установках с использованием биологических и физико-химических методов. Анализ применяемых методов указал на их высокую стоимость, а также необходимость использования больших площадей.
Метод флотации более экономичен, но недостаточно эффективен для очистки сточных вод до требуемого нормативами содержания нефтепродуктов при сбросе сточных вод в водоемы рыбохозяйственного назначения.
В этой связи рассмотрены возможности интенсификации флотационной очистки, связанные с извлечением микрофлотокомплексов, до достижения нормативных значений качества очищенных сточных вод, требуемых при их
сбросе в водоемы рыбохозяйственного назначения. >
\
Проведенные исследования базируются на трудах ведущих ученых в области теоретических и экспериментальных методов исследования процессов флотации, а так же теории расчета и конструирования флотационной техники: Классена В. И., Ксенофонтова Б.С., Мещерякова Н. Ф., Рубинштейна Ю. Б., Соложенкина П. М., Рулева Н. Н., акад. РАН Чантурия В. А., Черных С. И. и др.
Цель и задачи работы. Целью работы является повышение эффективности флотационной очистки сточных вод и разработка методики расчета комбинированной флотомашины с фильтроэлементами.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Проанализировать развитие и расширение использования оборотных систем водопользования для снижения экологической нагрузки на водоемы;
Исследовать флотационный процесс гидрофобных загрязнений и взвешенных веществ на основе многостадийной модели с учетом коалесценции во флотомашине;
Разработать конструкцию фильтрующего элемента для эффективного извлечения мелких гидрофобных загрязнений и флотокомплексов;
Провести испытания в опытно-промышленных условиях и внедрить комбинированную флотомашину;
Разработать научно-обоснованную методику расчета комбинированной флотационной машины с фильтрующими элементами.
Научная новизна
Впервые описан процесс флотации на основе многостадийной модели для различных видов загрязнений с учетом явления коалесценции флотокомплексов;
разработана методика расчета комбинированной пневматической флотомашины с фильтрующими элементами.
Практическая значимость работы. Разработана методика расчета флотационного процесса на основе многостадийной модели с учетом коалесценции, позволяющая более точно рассчитать время флотации с учетом конкретных особенностей процесса.
Разработана и внедрена на двух объектах (ПМС №307 г. Вязьма и депо г. Смоленск) высокоэффективная комбинированная флотомашина с фильтрующими элементами.
Основные положения диссертационной работы, которые выносятся на защиту:
результаты расчета процесса флотации на основе многостадийной модели с учетом явления коалесценции для гидрофобных загрязнений и взвешенных веществ;
конструкция фильтрующего элемента устанавливаемого внутри флотомашины;
конструкция комбинированной пневматической флотационной машины с фильтрующими элементами;
методика расчета комбинированной пневматической флотационной машины с фильтрующими элементами.
Апробация работы. Материалы отдельных разделов диссертации докладывались и обсуждались на общеуниверситетской научно-технической
конференции «Студенческая научная весна - 2004»; «Студенческая научная весна - 2005»; «Студенческая научная весна - 2006»; «4-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе -2009», а так же на международной выставке и конгрессе «Вода: экология и технология» ЭКВАТЭК-2008.
Публикации. Тема диссертации отражена в 6 научных работах. Из них в научных журналах, включенных ВАК РФ в список изданий, рекомендуемых для опубликования основных научных результатов на соискание ученой степени кандидата наук — две. Получен патент на полезную модель.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (117 наименований), приложения. Диссертация изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 25 таблиц и 65 рисунков. В приложении представлены копии документов экспериментальных исследований и акт внедрения комбинированной флотомашины с фильтроэлементами, подтверждающие достоверность результатов работы, ее научную и практическую значимость.
Оборотные системы водопользования и пути их совершенствования
Рациональное использование водных ресурсов в настоящее время представляет собой крайне насущную проблему. На территории России практически все водоемы подвержены антропогенному влиянию. Качество воды в большинстве из них не отвечает нормативным требованиям. Многолетние наблюдения за динамикой качества поверхностных вод выявили тенденцию к росту их загрязненности. Ежегодно увеличивается число створов с высоким уровнем загрязнения воды (более 10 ПДК) и количество случаев экстремально высокого загрязнения водных объектов (свыше 100 ПДК).
Основными источниками загрязнения водоемов служат предприятия черной и цветной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, целлюлозно-бумажной, легкой промышленности.
Нарастают процессы деградации поверхностных водных объектов за счет сбросов в них загрязненных сточных вод предприятиями и объектами жилищно-коммунального хозяйства, нефтехимической, нефтяной, газовой, угольной, мясной, лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, а также черной и цветной металлургии, сбора коллекторно-дренажных вод с орошаемых земель, загрязненных ядохимикатами и пестицидами.
Нефть и нефтепродукты на современном этапе являются основными загрязнителями внутренних водоемов, вод и морей, Мирового океана. Попадая в водоемы, они создают разные формы загрязнения: плавающую на воде нефтяную пленку, растворенные или эмульгированные в воде нефтепродукты, осевшие на дно тяжелые фракции и т.д. Даже незначительное содержание (0,2 -0,4 мг/л [15]) нефти в воде неприемлемо из-за специфического запаха, который не исчезает после хлорирования и фильтрации, а 0,1 мг/л [15] нефти придает мясу рыб не устраняемый никакой обработкой привкус. Известно, что 12 г нефти делают непригодной для употребления тонну воды не только для человека.
Поэтому ученые заняты разработкой новых бессточных технологий, что практически полностью решит проблему защиты водоемов от загрязнения. Однако разработка и внедрение безотходных технологий потребует определенного времени, до реального перехода всех производственных процессов на безотходную технологию еще далеко. Чтобы всемерно ускорить создание и внедрение в народнохозяйственную практику принципов и элементов безотходной технологии будущего, необходимо решить проблему замкнутого цикла водоснабжения промышленных предприятий.
При оценке систем использования воды в производстве целесообразно учитывать два основных показателя воды [11]: где QoG — количество оборотной воды, м /ч; QCD - количество свежей воды, м /ч; QOG+QCD - общее количество расходуемой воды, м /ч; Qc6 - количество сточных вод, сбрасываемых в водоем, м /ч.
Коэффициент использования оборотной воды в настоящее время на предприятиях машиностроительной промышленности в среднем составляет 0,8, а в советское время (1975-1985г.) на отдельных предприятиях он достигал в среднем 0,9 [11]. Так на автомобильном заводе «Коммунар» (1981-1985г) коэффициент использования оборотной воды составил 0,96, а коэффициент использования свежей воды -0,45 [11]. На Волжском автомобильном заводе (1981-1985г) коэффициент использования оборотной воды составил 0,94, а коэффициент использования свежей воды -0,54 [11].
В СССР оборотное водоснабжение и замкнутые системы водопользования были наиболее актуальными вопросами и широко применялись на различных производствах, при этом годовой экономический эффект от их внедрения мог достигать от нескольких сот тысяч до десятков миллионов рублей (табл. 1.1.)
Исследование процесса флотации взвешенных веществ
Выбор методики определения нефтепродуктов в очищаемой воде имеет важнейшее значение. Из литературы известно, что под понятием «нефтепродукты» при анализе вод следует понимать сумму неполярных и малополярных соединений, растворимых в гексане, а именно, сумму углеводородов (алифатических, алициклических, ароматических).
Существует три метода определения нефтепродуктов (гравиметрический, ИК - спектрометрический и газохроматографический), дающие при правильном соблюдении всех условий одинаково точные результаты и поэтому принятые в качестве арбитражных, и два менее точных метода, требующих периодической сверки получаемых результатов с результатами определения арбитражными методами и введения соответствующей поправки.
Нефтепродукты сорбируются на стенках сосуда, содержащего анализируемую воду, поэтому для их определения следует отбирать в отдельный сосуд специально для этого предназначенную пробу, использовать ее целиком и при проведении экстракции обмывать стенки этого сосуда порцией экстрагента, присоединяя ее потом к основной массе экстракта.
Гравиметрический метод. Сущность метода заключается в следующем. Углеводороды вместе со многими другими органическими веществами извлекают из неполярных растворителей (гексан, тетрахлорид углерода, пентан или петролейный эфир, определенной температуры кипения и плотности). Экстракт пропускают через колонку с сорбентом (активным оксидом алюминия или силикагелем), который сорбирует все полярные вещества. Элюат испаряют, при этом растворитель улетучивается, а остаток (неполярные и очень малополярные вещества) взвешивают.
В практике наиболее известен в качестве растворителя гексан, но если сточная вода мутная из-за присутствия в ней твердых частиц, возможно содержащих смолистые вещества, лучше применять тетрахлорид углерода. В случаях анализа очень грязных мутных вод, содержащих большие количества смол и асфальтенов, рекомендуется проводить экстракцию хлороформом, а затем его удалять испарением и остаток растворять в гексане или четыреххлористом углероде.
Содержание летучих нефтепродуктов в мг/л находят по формуле (Ш.1.)[52], где а — содержание летучих нефтепродуктов, найденное по калибровочному графику, мг; Vi — общий объем элюата, мл; V -объем пробы, взятой для определения, мл. Содержание основной массы нефтепродуктов (малолетучих) в мг/л находят по формуле х2 =x!h-J!hJ. (Ш.2) [52], где ггц — масса бюкса с остатком после удаления экстрагента, мг; т2 - масса пустого бюкса, мг. Суммарное содержание летучих и нелетучих нефтепродуктов равно ху+ х2. Основным преимуществом гравиметрического метода является то, что не требуется применения каких-либо сравнительных стандартных растворов, поэтому получаются точные результаты независимо от качественного состава нефтепродуктов в анализируемой пробе. Для повышения точности определения при очень малом содержании нефтепродуктов в сточной воде можно брать любой, достаточно большой, объем анализируемой пробы.
Метод ИК-спектрометрии основан на экстракции нефтепродуктов из анализируемой пробы четыреххлористым углеродом, с последующим отделением полярных компонентов на хроматографической колонке с окисью алюминия и детектированием нефтепродуктов в полученном экстракте. Принцип детектирования нефтепродуктов основан на поглощении молекулами углеводородов нефтепродуктов (связями С-Н) инфракрасного излучения.
Диапазон измеряемых концентраций от 0,03 до 5 мг/дм . Если массовая концентрация нефтепродуктов в анализируемой пробе превышает верхнюю границу диапазона, то допускается разбавление экстракта четыреххлористым углеродом или использование пробы воды уменьшенного объема таким образом, чтобы концентрация соответствовала регламентированному диапазону, но не более чем в 100 раз. Значения погрешности полученных результатов измерений, приведена в табл. 3.1.
Методики определения гидрофобных загрязнений и взвешенных веществ
Содержание нефтепродуктов в анализируемой пробе воды в мг/дм , .Л V рассчитывается по формуле: X = ———--К (Ш.З.), гдеХ113Л1 — содержание " п нефтепродуктов в экстракте, измеренное прибором, мг/дм3; Ve - объем экстракта (объем ССЦ , взятого для экстракции, включая объем CCI4, использованного для консервации пробы), см ; Vn — объем пробы воды взятой для анализа, см ; К— коэффициент разбавления экстракта, если его не разбавляют, то К-\. Результат измерениях в документах, предусматривающих его использование, представляют в видеХіА, где Д=0,015Х (значение 5 из табл. 3.1). Метод газожидкостной хроматографии. Он основан на хроматографическом разделении углеводородов нефти на неполярной фазе в режиме программирования температуры. Мешающее действие полярных соединений устраняется сорбцией на активном оксиде алюминия. Фракционный состав рассчитывают на основании линейной зависимости между временем удерживания углеводородов и температурой их кипения. Количественный расчет хроматограммы проводят методом внутренней нормализации по площадям пиков. Минимально определяемые концентрации: 0,05 мг/л - для пламенно - ионизационного детектора и 1,5 мг/л - для детектора по теплопроводности. Экстракцию проводят тетрахлоридом углерода или пентаном. Экстракт нефтепродуктов в органическом растворителе впрыскивают в газожидкостной хроматограф. Изменение температуры программируется от 50 до 320С [52]. Содержание нефтепродуктов в мг/л находят по формуле S -V х = сср ——— (Ш.4.), где сср — концентрация нефтепродуктов в сравнительном растворе, мг/л; Snp — общая площадь хроматограммы экстракта анализируемой пробы; Scp — общая площадь хроматограммы сравнительного раствора; V0KC — объем экстракта пробы, мл; V— объем воды, взятой для анализа, мл. Люминесцгитно-хроматографический метод. Нефтепродукты выделяют из анализируемой воды гексаном. После пропускания экстракта через колонку с оксидом алюминия определяют люминесценцию элюата и по «цене деления» прибора находят содержание нефтепродуктов.
Для получения достоверных результатов анализа необходимо иметь стандартный раствор, содержащий те же люминесцирующие вещества и в тех же относительных количествах, как и в исследуемой пробе, т. к. способностью люминесцировать под действием ультрафиолетовых лучей обладает часть углеводородов и в разной мере. Это труднодостижимо, поэтому устанавливают «цену деления» применяемого прибора сравнением с результатом, полученным одним из арбитражных методов, причем такое сравнение необходимо проводить каждый раз заново, если качественный состав углеводородов анализируемой воды изменился.
Содержание нефтепродуктов в мг/л рассчитывают по формуле X = (ІІІ.5.) [52], где а- сумма показаний прибора при измерении люминесценции во всех пробах ; V- объем пробы, взятой для анализа, мл; т — цена деления прибора.
Для нахождения цены деления (в мг) периодически параллельно с анализом пробы этим методом проводят анализ ее арбитражным методом и рассчитывают цену деления по формуле т = (III.6.) [52], где N— 1000а содержание нефтепродуктов, найденное арбитражным методом, мг/л. Метод канальной тонкослойной хроматографии. Нефтепродукты экстрагируют тетрахлоридом углерода. Порцию экстракта 20-100 мкл вносят в нижнюю расширенную часть «канала», выделенную на пластинке для тонкослойной хроматографии. Пластинку обрабатывают хлороформом в закрытой камере, высушивают на воздухе и подвергают действию паров йода. В границах «канала» углеводороды обнаруживаются в виде прямоугольного коричневого пятна, площадь которого и измеряют. Нижняя граница концентраций, определяемых этим методом 1 мг/л. Результаты параллельных определений, проводимых тем же аналитиком одновременно, не должны отличаться более чем на 0,5 мг/л.
Содержание углеводородов в мг/л в анализируемой пробе находят по формуле X = ———— - (IIL7.) [52], где а.і и я2 — площади пятен для порций экстракта, соответственно 100 и 20 мкл, мм2; 0,1 - масса углеводородов, отвечающая площади F, мг; 25 — отношение объема экстракта (2 мл) к объему его, отвечающему разности пятен (80 мкл).
Последние два метода менее распространены и не нашли широкого применения в практике, в отличие от арбитражных методов, в которых также есть свои недостатки.
Результаты экспериментальных исследований по доочистке сточных вод фильтрованием
Обычно в практике, процессом флотации осуществляется очистка до 4-10 мг/л загрязняющих веществ, но имеются и скрытые возможности, о которых в литературе практически не упоминается. Они заключаются в том, что не все вещества даже перешедшие во флотокомплексы извлекаются, а часть веществ вообще не извлекается данным процессом - это гидрофильные и растворенные вещества. Именно поэтому, для повышения эффективности работы флотомашин, рекомендуется использование фильтрующих элементов.
Одним из вариантов модернизации уже имеющихся пневматических флотомашин может быть использование в выходной камере различных фильтрующих элементов. На Усть-Илимской ГЭС ОАО «Иркутскэнерго» были проведены предварительные испытания внедрения тканевых сорбентов (в частности нетканый материал «Мегасорб») в выходной камере флотомашины (рис. 3. 1.).Флотационная машина, внедренная на Усть-Илимской ГЭС ОАО «Иркутскэнерго».
Измерения, выполненные лабораторией Усть-Илимского водоканала, показали, что флотомашиной осуществляется очистка нефтесодержащих стоков до 0,54 - 0,79 мг/л [46]. Эффективность очистки в данной машине увеличилась до 98%.
После проведенных предварительных испытаний, в МГТУ им. Баумана на кафедре «Экология и промышленная безопасность» была разработана комбинированная флотационная машина с фильтрующими элементами . Комбинированная флотомашина для очистки сточных вод. виде пенного продукта, патрубок 5 для вывода очищенной воды. Внутри корпуса установлены дисковые аэраторы 6, через которые подается газ (воздух), а также полупогружные перегородки 7, блок тонкослойного осветления 8, устройство для регулирования уровня жидкости 9 и фильтрующий элемент. Он состоит из каркаса 10 с перфорированными внешней и внутренней поверхностями 11, между которыми расположена фильтрующая загрузка 12. Принцип работы, такой флотомашины заключается в следующем. Исходная сточная вода подается через патрубок 2 и далее в нижнюю часть корпуса флотомашины 1 в зону аэрации, создаваемую дисковыми аэраторами 6, являющимися генераторами пузырьков газа (воздуха). При движении воды в зоне аэрации гидрофобные загрязнения при контактах с пузырьками слипаются в флотокомплексы (частица - пузырек). Рис. 3.3. Флотационная камера с дисковым аэратором. Образовавшиеся флотокомплексы, частицы загрязнений и пузырьки воздуха поднимаются вверх, образуя пенный слой (рис. 3. 3.), который самотеком или принудительно выводится из корпуса машины через пенный желоб 3 и патрубок 4 в шламосборник. Очищенная вода из зоны аэрации выводится через блок тонкослойного улавливания пузырьков 8. Флотокомплексы, попавшие в междуполочное пространство быстро достигают верхней полки из-за малости расстояния между полками (от 10 до 150 мм). Прилипшие к верхней полке флотокомплексы объединяются (коалесцируют) в большие агрегаты, что способствует появлению большой выталкивающей силы и быстрому всплыванию этих комплексов в верхний пенный слой. Очищенная жидкость прошедшая междуполочное пространство попадает в зону фильтрования, в которой находится фильтрующий элемент. Прилипшие флотокомплексы на внешней перфорированной поверхности 11 фильтрующего элемента коалесцируют между собой аналогично как в блоке тонкослойного осветления. Внутри фильтрующего элемента находится специальный материал 12, улавливающий загрязнения находящиеся во взвешенном состоянии. Далее очищенная вода проходит через устройство регулирования уровня жидкости 9 и выводится из корпуса флотомашины через патрубок 5.
В качестве загрузки, на основании проведенного ранее теоретического анализа, в изготовленном фильтрующем элементе комбинированной флотационной машины, используются различные нетканые материалы (рис. 3. 4. б, г) и зернистые загрузки (рис. 3. 4. в). Основным критерием подбора фильтрующих загрузок являлось наименьшее сопротивление материала. Перфорированный материал, из которого выполнен корпус фильтрующего элемента (рис. 3. 4. а), рассчитывался в соответствие с размерами флотокомплексов и гидрофильных загрязнений (см. гл. 2.) таким образом, чтобы способствовать ИХ КОалеСЦеНЦИИ, Т.е. (Іотв- 0.1 мм. На основании соотношения концентраций с соотношением размеров частиц и пор материала [58] (см. п. 1. 4.) по формуле I. 29. ,в программе Mathcad Document были рассчитаны и построены теоретические кривые изменения концентрации гидрофобных загрязнений от размера улавливаемых частиц для материалов УВИС-АК-В (рис. 3. 5.) с dn = 0.0 Ьши и «Мегасорб» (рис. 3. 6.) с dn = Юмкм, при снижении концентрации загрязнений от 1 мг/л.
