Введение к работе
Актуальность темы. Длительное время промышленные предприятия отребляли чистую природную воду, сбрасывая малоочищенные или нсо-ищенные сточные воды,постепенно загрязняя водные бассейны рек, озер морей. Большинству водоемов наносится значительный ущерб, что гражается на общем состоянии природных ресурсов нашей страны, а, в энечном итоге, на здоровье каждого человека. Поэтому в настоящее время эпросам охраны окружающей среды вообще и охрана водного бассейна, в істности, в России уделяется большое внимание. Решение задач по охране кружаюшей среды позволяет гарантировать конституционное право каждо-) человека на здоровую и благоприятную среду его обитания. В производственном объединении «Прогресс* (г. Кемерово) в основных роизводствах, связанных с изготовлением пироксилиновых порохов: про-зводстве хлопковой целлюлозы (ХЦ) и производстве нитратов целлюлоз Щ) в связи с высокими требованиями по чистоте получаемых продуктов, пользуется свежая речная вода, с минимально-допустимыми концентрацией примесей,что практически исключает возможности повторного исполь->вания очищенных сточных вод. Водолотреблениеи, соответственно, сбгнт очных вод в этих производствах достаточно велики (400-600 мЗ натоь. , ітовой продукции). Основными ингредиентами, загрязняющими эти )ды, являются взвешенные волокнистые частицы (ВВЧ), концентрация )Торых составляет 50-450 г/мЗ.
Со сточными водами указанных производств в речной бассейн реки Томи кегодно поступает более 40 тонн хлопковой целлюлозы и более 20 тонн ггратов целлюлоз.
Данные вещества, отлагаясь на берегах рек, являются потенциальным :точником взрывов и пожаров.
Из-за больших концентраций ВВЧ сточные воды указанных производств :возможно отправить на биологические очистные сооружения (БОС) для полнительной очистки (норматив БОС по концентрации поступающих вешенных веществ-20 г/м5). За сброс в речной бассейн малоочишенных очных вод производственное объединение несет дополнительные финан-вые издержки.при этом сумма отчислений постоянно увеличивается. В язи с этим перед объединением поставлена задача полного прекращения роса малоочишенных сточных вод.
Проблеме очистки сточных вод от взвешенных частиц уделяется льшое внимание. Разработаны и применяются различные технологичес-іе схемы очистки промышленных стоков с использованием разнообразных
процессов химической технологии. Однако вопросы теории и практик очистки сточных вод от частиц волокнистого характера изучены н достаточно полно. Поэтому разработка и освоение эффективных техно логических схем и оборудования для очистки сточных вод от ВВ1 является -актуальной задачей для различных отраслей промышленное^
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Создание эффективных технологических схем : оборудования для очистки сточных вод в производствах ХЦ и НЦ от ВВЧ
-
Исследование физико-химических свойств реальных сточных во, производств ХЦ и НЦ, физических свойств ВВЧ.
-
Разработка методики оценки гидрофобности поверхности ВВЧ исследования гидрофобности поверхности ВВЧ.
-
Теоретическое и экспериментальное изучение процессов осаждение и пенной флотации ВВЧ, содержащихся в сточных водах производств XI иНЦ.
-
Разработка методик расчета основных аппаратов для очистки сточны і- тонкослойного отстойника и флотационной камеры.
-
Проверка установленных закономерностей на опытно-промышлен ных и промышленных установках в производственных условиях.
6. Разработка технологических схем очистки и рекомендаций п(
проектированию и эксплуатации очистных сооружений.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Исследованы физико-химические свойств; реальных сточных вод, образующихся в производствах хлопковой целлюлозы и нитратов целлюлоз, исследованы физические свойства ВВЧ.
Впервые разработана оригинальная методика оценки смачивающее способности частиц, характеризующая гидрофильные (гидрофобные^ свойства. Показано, что поверхность исследуемых частиц обладает гид-рофобностью в достаточной степени и возможна эффективная флотацш частиц целлюлозы и нитратов целлюлоз.
Экспериментально подтверждена более высокая вероятность взаимодействия пузырька и частицы волокнистой формы по сравнению с частицами других форм.
Разработана технологическая схема очистки локальных сточных вод от ВВЧ в тонких слоях, обеспечивающая эффективность очистки не менее 98 %
гстоверно подтверждена результатами опытно-промышленных испытана Разработанные апаратурно-технологические схемы на основе інкослойного отстойника рекомендуются для использования в качестве кальных систем очистки сточных вод от ВВЧ. Эффективность очистки очных вод от ВВЧ на ТО с металлической пластиной составила 97,7%, с )ЛИЭТИленовой пластиной-98,8%,что позволяет достичь требования ПДК чных бассейнов.
5.Впервые разработана аппаратурно-технологическая схема и освоена юмышленная флотаїшонная установка для очистки сточных вод от ВВЧ эффективностью 97,4-99,4%, обеспечивающая очистку сточной воды до ебований ПДК речных бассейнов. Способ и установка защищены патентом Р. По результатам работы выданы исходные данные, разработана, юнтирована и запущена в опытную эксплуатацию в производстве НЦ ютационная установка, обеспечивающая эффективность очистки не менее %.
). Освоение разработанных технологических схем очистки позволили изить ежегодный сброс в р. Томь взвешенных частиц с 60 до 5 тонн. L Разработанные технологические схемы очистки сточных вод рекомен-ются для широкого применения в других отраслях промышленности. І. Практическая ценность работы подтверждена зкономігческим эффек-м от освоения флотационной установки, который составил в 1994 году 366 долларов США (по курсу на 01.01.1995).
Список работ по теме диссертации
. Решение о выдаче патента Российской Федерации от 05.06.1995 по заявке
№95100001/26/000012, МПК С 02 F-1/24. Способ и установка для
очистки сточных вод от волокнистых загрязнений. /А.В. Лучин, В.А.
Дорофеев, Г.А. Солодов, Ф.Г .Ганиев - Заявл. - 05.01.95. . Солодов Г.А., Дорофеев В.А., Лучин А.В. Гидродинамические свойства
нитратов целлюлозы. //В Сб. 'Техника. Технология. Управление",
ЦНИИНТИКПК, М., 1994. - N 3-4 - с. 35-36. . Солодов Г.А., Дорофеев В.А., Лучин А.В. Эффективность процессов
фильтрации суспензии нитратов целлюлозы на зернистых фильтрах.
//В Сб. "Техника. Технология. Управление", ЦНИИНТИКПК, - М., 1994. - N 3-4 - с. 37-38. . Солодов Г.А., Дорофеев В.А., Лучин А.В. Исследование процесса флотации сточных вод производства нитратов целлюлозы. //В Сб. "Техника.
Технология. Управление", ЦНИИНТИКПК, - М., 1995. - N1-2 -с. 35 - 36.
5. Солодов ГА., Дорофеев ВА., Лучин А.В. Исследование процессої
осаждения частиц нитратов целлюлозы в тонких слоях. //В Сб.
"Техника. Технология . Управление", ЦНИИНТИКПК, - М.,1995.-
№ 1-2 - с. 37-39.
6. Солодов ГА., Дорофеев ВА., Лучин А.В. Освоение опытно-про
мышленной установки флотации сточных вод производства нитр*
тов целлюлозы. //В Сб. Техника. Технология. Управление",
ЦНИИНТИКПК, - М.,1995.- N 1-2 - с. 36-37.
7. Лучин А В., Рыжков Ю.И., Марков О.М., Дорофеев В А, Солодої
ГА. Методика расчета тонкослойного отстойника для очистки
сточных вод от взвешенных волокнистых частиц. //В Сб. Техника
Технология. Управление", ЦНИИНТИКПК, - М., 1995. - N 3-4 - с
8. Лучин АВ., Юшин BJL, Дорофеев В А, Марков О.М., Солодов ГА
Методика расчета флотационной камеры. Деп. в ВИНИТИ 28.07.1995,
№ 2329-В 95.
9. Рыжков Ю.И., Бородина И.В., Лучин А.В., Солодов ГА. Программ*
для ЭВМ «Проектирование тонкослойного отстойника». Per. номер
в реестре программ для ЭВМ Российской Федерации 951276 (09.09.1995) /Информационный бюллетень официальной регистра ции Российского агентства по правовой охране программ для ЭВМ, баз данных и топологий интегральных микросхем (РосАПО). - М., 1995. - № 2 (8).
10. Лучин А.В., Юшин В.Я., Дорофеев В А, Марков О.М., Солодов ГА
Оценка гидрофобных свойств частиц хлопковой целлюлозы и нитра
тов целлюлоз. Деп. в ВИНИТИ 28.09.1995, № 2500-В 95.
ГЛАВА 2 содержит результаты исследования физических свойств взвешен-ых волокнистых частиц, присутствующих в сточных водах производств юпковой целлюлозы и нитроцеллюлозы, сведения по составам и объемам гочных вод и исследования процесса реагентного фильтрования на опытной ггановке.
Результаты исследований физических свойств ВВЧ представлены на рисунках 1, 2.
т, мин.
Рис. 1. Зависимость массы осевших частиц от времени. М - масса осевших частиц, %, т - время осаждения, мин.
дМ/Ad
d, мкм
Рис. 2. Дифференциальная кривая распределения. A M/Ad - отношение приращений массы и эквивалентного диаметра, d-эквивалентный диаметр, мкм.
Анализ зависимостей, приведенных на рисунках, говорит о след} юшем. При исходных концентрациях суспензий НЦ менее 20 мг/л имее место свободное осаждение частиц. При концентрациях 50-400 мг/ наблюдается резкий рост массы осевших частиц в начале опыто (первые 15 минут). Вероятно, сказывается влияние сложной формы конфигурации частиц НЦ. Происходят процессы укрупнения, захватыва ния мелких частиц более крупными,при этом осаждение происходит большими скоростями. Таким образом, можно с определенной стелены приближения заключить,что процесс осаждения частиц НЦ в суспснзи с концентрацией более 50 мг/л разделяется на две стадии: стесненно осаждение, сопровождающееся агломерированием частиц, в течени достаточно короткого отрезка времени (10-20 минут), при этом осаж дается большая часть частиц (более 80 %) и свободное осаждение npi снижении концентрации частиц в суспензии менее 20 мг/л, времг которого в условиях эксперимента составило более 60 минут.
Установлено, что эффективность очистки сточных вод от ВВЧ методі реагентного фильтрования на опытной установке составляет 90-95 % при этом концентрация взвешенных частиц в очищенной сточной вод< составляет 5 мг/л, что близко к величине предельно-допустимой концентрации (ПДК) для речного бассейна ( 3 мг/л ).
Результаты исследований представлены на рис.3,4.
Т, час.
С, мг/л
Рис. 3. Зависимость времени фильтроцикла от начальной концентрации суспензии.
Т - время фильтроцикла, час, С - концентрация суспензии, мг/л. Э, V.
100 т
т мин.
Рис. 4. Зависимость эффективности очистки от времени. Э - эффективность очистки, % т- время осаждения, мин.
Однако, фильтроцикл на установке составил 0.5 - 7 часов, что меньше встречающегося на практике в 3-10 раз. К недостаткам этого процесса относятся : периодичность, необходимость большого числа оборудования, сложность использования промывных вод. Поэтому применение этого процесса в указанных производственных условиях экономически нецелесообразно.
ГЛАВА 3 содержит результаты исследования процесса осаждения волокнистых частиц в тонких слоях, методику расчета тонкослойного отстойника. (ТО)
В ходе исследований на опытно-промышленной установке определялись зависимости эффективности очистки сточных вод производства НЦ от следующих факторов: расхода суспезии НЦ, концентрации час-тицНЦ, вида материала пластины ТО (пластины из нержавеющей стали и полиэтилена). Определялась также способность частиц скатываться с поверхности пластины отстойника.
Результаты исследований приведены на рисунках 5, 6, 7 ив таблицах 1 и 2.
G, м3/час.
Рис. 5. Зависимость эффективности очистки от удельной нагрузки. Э - эффективность очистки, %, G-удельная нагрузка, м 3/час-
Ск, мг/л
Vis аз ais о.* 345 G, м3/час
с. 6. Зависимость конечной концентрации от удельной нагрузки. Сс - конечная концентрация суспензии,мг/л, G - удельная нагрузка, м 3/час.
Э, %
108 : : : : : : : 1
:. 7. Зависимость эффективности очистки от времени работы. Э - эффективность очистки, %, х- время работы, час.
Таблица 1
Определение эффективности очистки в непрерывном режиме на пластине из нержавеющей стали
Средняя эффективность, %
Анализ данных табл. 1 показывает, что ТО с пластиной из нержавеющей стали работает нестабильно. В начале работы конечная концентрация суспензии близка к ПДК, далее происходит ее нараста-ние. Это связано с тем, что происходит уменьшение свободного сечения ячейки ТО за счет накопления на поверхности пластины осадка НЦ, т.к. сцепление осадка с пластиной за счет трения между осадком и поверхностью пластины высоко, и для его «скатывания» - движения по пластине вниз - необходимо накопление значительной массы осадка, что и обуславливается его толщиной. Толщина осадка достигала 10-18 мм. При этом локально увеличивается скорость потока суспензии. Это приводит к уносу уже осевших частиц НЦ с поверхности пластины в движущийся поток. Происходит уменьшение длины отстаивания. Вследствие большой пространственной разветвленности частиц НЦ образуется структурированный осадок. Скорость движения этого осадка по поверхности металлической пластины мала и пластина не достаточно очищается.
Таблица 2
Определение эффективности очистки в непрерывном режиме на полиэтиленовой пластине
Средняя эффективность, С
Как видно из табл. 2, на всем протяжении спытов ТО работал стабильно конечной концентрацией, близкой к значению ПДК. Примерно в 30 [ытов эффективность очистки достигала практически 100%. Сцег існпс адкас поверхностью полиэтиленовой пластины значительно меньше, чем металлической, и его «скатывание» происходит при меньшей м-приводит к значительному увеличению толщины слоя и измс орости потока жидкой фазы. Структурированного осадка не образ іибольшая толщина слоя осадка на пластине достигала в ее центра, не. Достигнув толщины слоя 2-4 мм, осадок сползает вниз. Таким образом, пользование пластин из полиэтилена позволяет снизить эффективную ину ее в сравнении с металлическими пластинами.
'ЛАВА 4 содержит результаты исследования процесса ленной флотации юкнистых частиц, методику расчета флотационной установки. Іервоначально была разработана новая, оригинальная методика оценки ачиваюшей способности частиц,характеризующая гидрофильные или фофобные свойства исследуемых частиц. При этом было, необходимо гтывать влияние разнообразных примесей, присутствующих в сточных lax, которые несомненно могут сорбироваться на поверхности волокнис-к частиц, на процессы очистки сточных вод, в частности на процесс
флотации частиц при помощи воздушных пузырьков.
Результаты определения коэффициентов смачиваемости подтвердили предположение о том, что поверхность исследуемых частиц обладает шдрофобностыо в достаточной степени и возможна эффективной флотации как целлюлозы, так и нитроцеллюлозы.
Далее были проведены исследования флотации ВВЧ на лабораторной установке, состоящей из напорных и приемных емкостей, воронки со стеклянной пористой перегородкой (диаметр пор 5-15 мкм), устройства отвода очищенной воды, устройства отвода верхнего пенного слоя с поверхности жидкой фазы. Размер пор стеклянной перегородки давал возможность получения пузырьков воздуха в интервале 200-400 мкм.
Результаты исследований были обобщены, систематизированы по факторам и приведены на рисунках 8, 9, 10.
^ so С, мг/л
Рис 8. Зависимость эффективности очистки от начальной концентрации суспензии.
Э - эффективность очистки, %, С - начальная концентрация суспензии, мг/л.
ф, %
Рис 9. Зависимость эффективности очистки от степени газонасыщения суспензии.
Э - эффективность очистки, %, ф- степень газонасыщения, %.
С , мг/л
Ф, %
*ис. 10. Зависимость конечной концентрации суспензии от степени газонасыщения. Ск - конечная концентрация суспензии, мг/л, ф- степень газонасыщения, %. С0- начальная концентрация
Анализируя данные рис. 8, можно сделать следующие заключения. С повышением концентрации суспензии эффективность очистки возрастает до 95%. При этом конечная концентрация суспензии находится в интервале 1-5 мг/л ( в среднем 2,3 мг/л).
Ввод ПАВ повышает эффективность очистки,особенно в области повышенных концентраций частиц НЦ, что объясняется увеличением адгезии частицы и пузырька, созданием более прочного и стабильного комплекса, особенно на поверхности жидкой фазы (пенный слой), тогда как без ввода ПАВ в большей степени происходят процессы разрушения пенного слоя на поверхности жидкости и повторное осаждение частиц.
По данным рис. 9 можно сказать следуюшее:при малом газонасыщении суспензии (малых давлениях сжатого под пористой пластиной) эффективность очистки относительно небольшая. С дальнейшим повы-ием газонасыщения суспензии эффективность повышается доста-ю резко, достигая максимума, и далее она практически постоянна.
..о данным рис. 10 видно, что концентрация ВВЧ в осветленной суспензии с ростом газонасыщения в начальный момент снижается значительно, далее достигает минимума Дальнейшее увеличение газонасыщения приводит к некоторому росту концентрации НЦ в осветленной суспензии. Влияние начальной концентрации суспензии НЦ( в интервале 20-200 мг/л) на конечную концентрацию незначительно.
Таким образом, можно говорить о высокой эффективности процесса флотации ВВЧ, несмотря на сложный дисперсный состав. При оптимальных параметрах флотации создаются необходимые условия для закрепления как мелких, так и крупных частиц на поверхности пузырька воздуха, что подтверждает предположение о достаточной гидрофобности поверхности частиц НЦ. К тому же, вероятны процессы механического захватывания пузырьков воздуха частицами НЦ, имеющими сложную разветвленную пространственную конфигурацию. Конечные концентрации суспензий при оптимальных параметрах проведения процесса не превышают требований ПДК взвешенных веществ в сточных водах, сбрасываемых в речной бассейн.
На основании полученных данных были выполнены необходимые расчеты и разработана конструкция опытно-промышленной установки.
Результаты исследований процесса флотации в производственных условиях представлены в таблице 3. Расход сжатого воздуха поддерживался постоянным по давлению сжатого воздуха в интервале 0,4 - 0,45 МПа.
Таблица З Результаты исследований флотации.
Расход м /с
Эффективность очистки.
%
Анализируя полученные данные, можно сделать следующие заключения: расход сточных вод, поступающих на очистку, характеризуется значительными перепадами: от практически полного отсутствия поступления сточной воды до максимально возможного по существующим технологических процессам. Средняя концентрация частиц НЦ в поступающих сточных водах также находится в широких интервалах (от 20 до 300 мг/л). Средняя эффективность очистки сточных вод составила 87,6%. Эффективность очистки практически не зависит от расхода поступающей сточной воды,что подтверждает правильность расчета основных параметров работы установки. Повышенные концентрации частиц НЦ в осветленной воде связаны z процессами разрушения пенного слоя и повторного осаждения частиц. При малых расходах сточных вод газонасыщение жидкой фазы увеличивается.
что приводит к увеличению скорости разрушения пенного слоя возросшим количеством пузырьков воздуха. Это связано с малыми концентрациями ПАВ в сточных водах производства НЦ, что приводит к созданию на поверхности недостаточно стабильного пенного слоя.
На основании полученных данных была разработана аппаратурно-технологическая схема и освоена промышленная флотационная установка для очистки сточных вод производства ХЦ. При работе установки в непрерывном режиме эффективность очистки сточных вод от ВВЧ составила в среднем 99,2%. Средняя концентрация ВВЧ в очищенной воде составила 2,69 мг/л.Освоение установки позволило достичь ПДК по взвешенным веществам для бассейна р. Томи, при этом сброс ВВЧ в реку снижен с 60 до 5 тонн/год. Уловленные ВВЧ полностью используются в основном технологическом потоке производства ХЦ.
ГЛАВА 5. посвящена сравнению технико-экономические показатели выше-приведенных схем очистки сточных вод от волокнистых частиц с уче - максимального использования существующих очистных сооруже-ни Іенная флотация обладает значительными преимуществами, в час «с-ти, непрерывностью процесса очистки, большей нагрузкой на един, jy площади сооружения и минимальной стоимостью очистки единичного объема сточной воды.
-
Исследованы физико-химические свойства реальных сточных вод, образующихся в производствах хлопковой целлюлозы и нитратов целлюлоз, физические свойства ВВЧ: дисперсионный состав, коэффициент формы, основные виды конфигураций.
-
Подтверждено влияние формы ВВЧ на процессы захватывания частиц пузырьками воздуха: вероятность взаимодействия пузырька и частицы волокнистой формы повышается.
-
Впервые разработана оригинальная методика оценки смачивающей способности частиц, характеризующая гидрофильные (гидрофобные) свойства. Показано, что поверхность исследуемых частиц обладает гидрофобностью в достаточной степени и возможна эффективной флотации как частиц целлюлозы, так и нитроцеллюлозы.
-
Предложенная методика расчета тонкослойного отстойника
Впервые предложены оригинальные.принципиально новые способ и установка по очистке сточных вод от ВВЧ методом пенной флотации, обеспечивающие эффективность очистки не менее 97%.
Разработаны и освоены технологические схемы очистки сточных вод от ВВЧ методом флотации в производствах ХЦ и НЦ.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Результаты исследований нашли практическое применение при разработке технологических схем, оборудования, проектировании и эксплуатации установок по очистке сточных вод в производствах хлопковой целлюлозы и нитратов целлюлоз.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Сконструированы и освоены флотационные установки для очистки сточных вод производств ХЦ и НЦ в ПО "Прогресс".
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ. Результаты экспериментальных исследований физико-химических свойств реальных сточных вод, физііческих свойств волокнистых частиц.
Закономерности процесса осаждения ВВЧ, связанные с геометрическими размерами и сложной разветвленной пространственной структурой.
Методика оценки смачивающей способности частиц, характеризующая гидрофильные (гидрофобные) свойства. Результаты исследований гндро-фобности поверхности ВВЧ, подтверждающие возможность эффективной флотации как частиц целлюлозы, так и нитратов целлюлоз.
Результаты экспериментальных исследований процесса пенной флотации ВВЧ.
Методики расчетов основных технологических аппаратов: тонкослойного отстойника и флотационной камеры.
Технологические схемы и оборудование для очистки сточных вод от ВВЧ, рекомендации по их проектированию и оптимальному управлению процессами очистки.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались:
- на технических советах производственного объединения «Прогресс»,
Кемерово в 1991 - 1994 гг.
на объединенном научно-техническом семинаре кафедр ХТФ в ТПУ (Томск) 28.02.1995.
на научном семинаре объединения физики и химии твердого тела КемГУ (Кемерово) 06.07.1995.
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 статей, 3 научно-технических отчета предприятия, получен 1 патент России, 1 регистрационное свидетельство на программу для ЭВМ.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ
