Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние средств и методов очистки навозосодержащих стоков 8
1.1. Классификация примесей, методов и средств очистки сточных вод 8
1.2. Анализ применяемых систем удаления навоза из производственных помещений нн крупных свинокомплексах 13
1.3. Обоснование способов подготовки навоза к использованию 17
1.4. Требования к составу очищенных сточных вод, сбрасываемых в водоемы, и к стокам, поступающим на биологическую очистку 21
1.5. Краткое описание технологических схем переработки свиноводческих стоков 27
1.6. Методы выделения органических коллоидов и высокомолекулярных соединений из растворов 31
1.7. Метод коагуляции коллоидов электролитами, взаимная и реагентная коагуляция 33
1.8. Электрохимическая коагуляция 37 Заключение. Цель и задачи исследований 39
ГЛАВА 2. Анализ средств механического разделения свиного навоза и их совершенствование 41
2.1, Обоснование необходимости совершенствования механических средств выделения взвешенных веществ из стоков 41
2.2, Характеристика машин фильтрующего типа и результаты их исследований 42
2.3, Осадительные центрифуги и результаты их исследований 50
2.4, Отстойники 54
2.5, Оптимизация технологический линии механического разделения свиноводческих стоков 61
Заключение 68
ГЛАВА 3 . Исследование свойств животноводческих стоков 69
3.1. Анализ имеющихся сведений о свойствах стоков свиноводческих комплексов 69
3.2. Программа и методика исследований 72
3.3. Результаты исследований 77
ГЛАВА 4. Теоретические предпосылки по обоснованию параметров и режимов электролиза жидкой фракции свиного навоза 85
4.1. Общие положения о кинетики электродных процессов 85
4.2. Определение области оптимальных значений плотности тока и напряжения между электродами 89
4.3. Определение рабочей площади электродов 93
ГЛАВА 5 . Экспериментальные исследования процесса электрокоагуляции 96
5.1. Программа и методика исследований 96
5.2. Исследование приэлектродных процессов 100
5.3. Исследование способов соединения электродов 109
5.4. Исследование процесса обработки жидкой фракции свиного навоза электрофлотационным и электрокоагуляционным методами 118
5.5. Определение оптимальных параметров и режимов работы электрокоагулятора 125
ГЛАВА 6 . Производственные испытания коагуляторов 130
6.1. Описание установки .и методика исследований 130
6.2. Результаты исследований 133
6.3. Методика инженерного расчета основных узлов технологической линии очистки стоков. 138
6.4. Расчет экономической эффективности усовершенствованной технологии очистки стоков на свинокомплексе 108 тыс.голов в год 147
Выводы 153
Список использованной литературы 155
Приложения 169
- Требования к составу очищенных сточных вод, сбрасываемых в водоемы, и к стокам, поступающим на биологическую очистку
- Характеристика машин фильтрующего типа и результаты их исследований
- Общие положения о кинетики электродных процессов
- Исследование приэлектродных процессов
Требования к составу очищенных сточных вод, сбрасываемых в водоемы, и к стокам, поступающим на биологическую очистку
Состав сточных вод, сбрасываемых в водоемы, регламентирован "Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами", утвержденными Минводхозом, Минздравом и Минрыбхозом СССР в 1974г. Наиболее характерными загрязнениями в очищенных стоках свинокомплексов являются взвешенные и биологически окисляемые вещества, выраженные через БЖ жидкости, аммонийные соли, нитраты. Допускается увеличение содержания взвешенных веществ на 0,25 мг/л в водоемах высшей категории водопользования и на 0,75 мг/л в водоемах низшей категории водопользования. Допустимое БПК составляет 3 мг/л для водоемов рыбохозяйст 22 венного водопользования и 3...6 мг/л для водоемов санитарно-бы-тового пользования высшей и низшей категории. Содержание азота в виде аммонийных солей лимитируется только для рыбохозяй-ственных водоемов и составляет 1,2 мг/л по хлоридам аммония, 1,0 мг/л по сульфатам аммония и 0,5 мг/л по нитратам аммония (в пересчете наЛ/н). Количество нитратов лимитируется для водоемов санитарно-бытового водопользования и составляет 10 мг/л (по азоту). Содержание фосфатов не лимитируется (табл. 1.3). Оценивая влияние каждого из упомянутых факторов на необходимую степень разбавления, можно указать, что наибольшее разбавление требуется по показателю содержания взвешенных веществ и затем БЖ для водоемов всех видов. Обеззараживание очищенной воды обеспечивается хлорированием с содержанием остаточного хлора после контактного резервуара в количестве 1,5 мг/л. При этом содержание палочек colt не должно превышать 1000 віл. Концентрация примесей в жидкости, поступающей на биологическую очистку колеблется в широких пределах и зависит от совершенства средств разделения навоза и режима их эксплуатации. Снижение концентрации сухого вещества в жидкости уменьшает энергетические затраты и время пребывания ее в процессе биологической очистіш. Однако до настоящего времени нет единого мнения по оптимальному содержанию сухого вещества в жидкости,поступающей в аэротенки, а также по концентрации активного ила в первой ступени биологической очистки. Разноречивы данные о количестве биомассы в илах, которое колеблется в пределах 15...40$ от сухого вещества ила.
Исследования, проведенные ЛИСИ на производственных аэротен-ках первой ступени очистных сооружений СОК "Восточный",(150) показали, что абсолютное содержание биомассы возрастает с увеличением концентрации ила. Однако относительное содержание биомассы (в % к сухому беззольному веществу ила) с увеличением концентрации уменьшается (табл.1.4).
Как следует из данных, представленных в табл.I.4,эффект очистки (отношение количества потребляемого субстрата к его исходному содержанию, %%) возрастает по мере увеличения концентрации ила в аэротенке, одновременно возрастает содержание ДНК Таблица 1.4 Потребление субстрата, содержание ДНК в микрофлоре и концентрация биомассы в активном иле аэротенка субстрата наблюдалось при концентрации ила в аэротенке 7 г/л. При концентрации ила 6...8 г/л количество потребляемого субстрата было практически одішаковшл и существенно превышало значения, полученные при концентрации ила 3,5 ...5,2 г/л. Результаты этих экспериментов доказывают целесообразность повышения концентрации ила в аэротенке до 7± I г/л. Изучение влияния концентрации сухого вещества в стоке на активность ферментных систем показало, что оптшлальное содержание сухого вещества в сточной жидкости находится в пределах 3,5...4,5 г/л. При концентрации сухого вещества в жидкости менее 3 г/л наблюдали лимитацию ферментативных систем субстрата, а более 4...4,5 г/л - ингибирование как активности уреазы, так и протеолитических ферментов (рис. 1.2). «Пдя более точного определения предельно допустимой концентращи сухого вещества в стоках, поступающих в аэротенки, была исследована зависимость между скоростью окисления органических веществ и удельной нагрузкой на ил (рис.1.3).
Таким образом, оптимальная концентрация сухого вещества в стоке, поступающего на биологическую очистку должна составлять в среднем 4 г/л, а концентрация активного ила в аэротенках первой ступени - 7 г/л. В последнее время практикуется очистка жидкой фракции навоза при гидропонном выращивании зеленых кормов и культивировании хлореллы. Очистка жидкой фракции осуществляется также на полях орошения, где дополнительно осуществляется фильтрация жидкости через слой почвы. Исходя из характеристики биоценоза почвы, уровня грунтовых вод, состава частиц почвы, ее пористости и других факторов, разработаны требования к качественным показателям шщкой фракции для удобрительных поливов (табл.1.5).
Характеристика машин фильтрующего типа и результаты их исследований
Фильтрующие машины предназначены для выделения грубых взвешенных веществ из жидкого навоза, получаемого на животноводческих комплексах. Основным требованием к ним является максимальное выделение взвешенных веществ независимо от принятой системы дальнейшей обработки и использования жидкой и твердой фракций. Это требование обусловлено тем, что низкая концентрация взвешенных примесей в жидкой фракции повышает качество её дальнейшей обработки в отстойниках осветлителях и в аэротенках биологической очистки, улучшаются условия ее хранения и транспортирования трубопроводным транспортом, повышается надежность работы дождевальных машин при использовании жидкой фракции на земледельческих полях орошения.
Производительность машин должна соответствовать среднечасовому выходу навозосодержащих стоков на ферме или комплексе и должна быть в пределах 25...100 м3/ч. Кроме того, машины должны обеспечивать высокую эксплуатационную надежность, низкие стоимость, металл и энергоемкость. Динамический фильтр применялся на всех свинокомплексах на 54 и 108 тыс.голов в год, построенных по типовым проектам,и серийно выпускался промышленностью. Низкие эффект разделения, производительность и эксплуатационная надежность (частый выход из строя фильтрующей сетки и опорных стоек) послужили причиной замены динамических сит более производительными и эффективными виброгрохотами.
В процессе испытаний виброгрохотов ГШІ-52 и ГИЯ-32 выявлены их недостатки и внесены конструктивные изменения. Путем догрузки грузом уменьшена амплитуда ішлебаний короба грохотов с 6...8 мм до 2...3 мм, фильтрующая сетка смонтирована на дренажную, изготовленную из полосовой стали с размером ячейки 50x50 мм. Эти конструктивные изменения позволили увеличить срок службы фильтрующей сетки, повысить качественные показатели работы грохотов. К недостаткам виброгрохотов следует отнести: вибрацию и воздействие на строительные конструкции; частый выход из строя фильтрующего рабочего органа; высокую влажность твердой фракции. Высокие эксплуатационные расходы и низкая механическая надежность виброгрохотов сдерживает их широкое внедрение в сельскохозяйственное производство. Запорожским КТИСМ разработана более надежная фильтрующая машина - дуговое сито СДФ-50. Дуговое сито СДФ-50 предназначено для разделения навозо-содержащих стоков на твердую и жидкую фракции. Рабочим органом машины является сито из проволоки трапециевидного сечения по ГОСТ 9074-71 и расположенное по дуге переменного радиуса. В нижней части сито имеет корытообразную форму небольшого радиуса, где установлен несущий вал с отжимными роликами и лопастью для выгрузки твердой фракции. Под ситом расположена емкость для сбора и отвода фильтрата. Стоки на дуговое сито поступают сверху через распределительный карман и переливной порожек.
Техническая характеристика Производительность по исходному стоку, м3/ч 50 Производительность по осадку первичных отстойников,м3/ч 20 Масса, кг 450 Предел изменения угла наклона рабочего органа, град. - 8 Установленная мощность, кВт 0,37 Частота вращения вала прессующего устройства, с 0,15 Исследования дуговых сит СДФ-50 проводили на натурных стоках на очистных сооружениях свинокомплекса на 108 тыс.голов в год "Спутник" Ленинградской области. Управляемыми параметрами при исследованиях дугового сита были: производительность по исходному стоку, угол наклона сита и расположение отжимных валиков на несущем барабане. Каждый опыт в процессе испытаний дугового сита проводили в трехкратной повторности. Влажность исходного стока менялась в зависимости от уровня его в приемном резервуаре насосной станции и практически была неуправляемой. Критериями оценки работы дугового сита приняты эффект разделения по сухому веществу и влажность твердой фракции.
Общие положения о кинетики электродных процессов
Пропускание постоянного электрического тока через растворы электролитов сопровождается сложными физико-химическими процессами. На катоде вдет разряд ионов водорода с выделением его в газообразном виде, выделение металла из растворов его солей и другие процессы. На аноде идут процессы разряда гид-роксильных групп с выделением газообразного кислорода, растворение металлического анода и т.д. Однако ни один процесс на одном электроде не может протекать без сопряженного процесса на другом электроде. Связь между количеством вещества,прореагировавшего на электроде, и количеством прошедшего через электролит электричества выражается объединенным законом Фарадея. В практике электролиза воды с широким спектром химических компонентов наблюдаются кажущие отклонения от закона Фарадея. Эти отклонения обусловливаются тем, что одновременно с получением целевого продукта на электродах идет ряд побочных электрохимических процессов, на которые затрачивается определенная доля электрической энергии. Количество электричества, идущее на образование целевого продукта, характеризуется выходом по току и выражается формулой В = 171сР 100% (4.1) где В - выход продукта по току, т.? - фактическое количество продукта, полученное при электролизе , тр - расчетное количество продукта (по закону Фарадея). Выход по току относится только к определенному процессу, суммарные же выходы по току всех одновременно протекающих на электроде процессов должны составлять 100$. Поэтому процесс электролиза следует вести так, чтобы выход по току целевого продукта был максимальным. Электрохимические процессы при электролизе протекают на границе раздела фаз электрод - электролит. Между этими фазами идет обмен заряженными частицами, в результате которого каждая фаза приобретает электрические заряды. На границе раздела фаз возникает скачок потенциала. Опустим металлическую пластину в раствор, содержащий ионы данного металла. Ионы металла в пластине находятся в кристаллической решетке, а в растворе они связаны с молекулами воды или гидратирова-ны. Чтобы осадить на пластину ион металла из раствора, необходимо затратить работу, равную энергии связи иона металла с полярными молекулами воды А_ или энергии гидратации. При переходе ионов металла из кристаллической решетки затрачивается работа, равная работе выхода иона из металла Ам . При Ам Ар ионы металла будут переходить из раствора в кристаллическую решетку, т.е. оседать на пластине. На пластине образуется избыток отрицательных ионов. На границе раздела возникает скачок электрического потенциала.
Описанная картина наблюдается, например, при погружении медной пластины в раствор сульфата меди. При погружении цинковой пластины в раствор сульфата цинка происходит переход ионов цинка из металла в раствор, так как Ар Ам. При этом пластина заряжается отрицательно, а раствор - положительно. Заряженная поверхность электрода и прилегающий к нему противоположно заряженный слой раствора образуют двойной электрический слой (Д.Э.С.) и соответствующий ему скачок потенциала. Причиной возникновения Д.Э.С. является окислительно-восстановительные процессы на границе раздела. Переход зарядов обусловлен разностью запасов энергии ионов в соприкасающихся фазах. Однако, переход ионов в одном направлении небесконечен. По мере накопления противоположных зарядов на границе раздела фаз переход ионов замедляется. Положительно заряженная металлическая пластина в силу электростатических сил препятствует осаждению ионов металла и способствует обратному процессу. При определенном скачке потенциала скорости прямого и обратного процесса становятся равными, т.е. наступает равновесие. Скачок потенциала между электродом и раствором при равновесном состоянии системы называется равновесным пштенциалом электрода, который является мерой максимальной работы процесса, самопроизвольно идущего на границе раздела фаз. Смещение потенциала электрода от его равновесного значения называют поляризацией электрода, при этом различают анодную и катодную поляризацшо. Поляризуемость электрода зависит от материала и состояния поверхности электрода, а также от плотности тока. Поряризуемость 2 или перенапряжение электрода увязываются с плотностью тока ( скоростью электродных реакций) линейным уравнением Тафеля: 2 - ct + B-en-l ( /.2) где а - коэффициент, характеризующий физическую природу электрода, в - постоянный коэффициент близок к 0,12. Уравнение Тафеля справедливо при значительных величинах скоростей приэлектродных реакций, то есть в областях смешанной и диффузионной кинетики электродных процессов. Основным методом исследования кинетики электродных реакций является метод поляризационных кривых, который позволяет установить связь между потенциалом электрода и плотностью тока. Анализ формы поляризационных кривых позволяет получить достаточно полное представление о природе электродных процессов. Поляризуемость электрода определяют с помощью электрода сравнения, потенциал которого известен относительно водородного электрода (потенциал последнего принимается условно за нулевой). При длительном электролизе идет замедление электродных реакций по причине пассивации поверхности электродов. Пассивация металлов идет в несколько этапов. На первом этапе идет медленная кристаллизация солей тяжелых металлов и ад-собция поверхностно активных веществ на поверхности электродов.
Исследование приэлектродных процессов
Качество очистки сточных вод электрохимическим способом зависит в основном от устойчивости приэлектродных реакций, от состояния анодной и катодной поверхностей. Поведение стальных и алюминиевых электродов в такой гетерогенной системе как жидкий свиной навоз представляет большой практический интерес. Зависимость потенциала электрода от скорости течения приэлектродных реакций показана на рис.5.3.
Из поляризационных кривых для стального и алюминиевого электродов, показанных на рис.5.3. видно, что алюминиевый электрод требует более высокой поляризации, чем стальной при одной и той же плотности тока. Иначе, для растворения единицы массы стали требуется меньше энергетических затрат, чем для единицы массы алюминия. Исходя из этого и более высокой стоимости алюминия, дальнейшие исследования вели только со стальными электродами. При положительной поляризации стального электрода участок ав кривой I соответствует области электрохимической, участок вс - смешанной, а участок правее точки с - диффузионной кинетикам. На катодной ветви участок а -/п соответствует электрохимической кинетике. Дальнейшая катодная поляризация вызывает перезарядку электрода относительно жидкости и формирование нового двойного электрического слоя. Участок кривой т-п, выражает смешанную кинетику. Еще более высокий отрицательный потенциал может вызвать пассивацию катода за счет кристаллизации катионов тяжелых металлов. Анализ полной поляризационной кривой показывает,что анодные процессы протекают при более высоких значениях поляризации чем катодные и определяют скорость электрохимических реакций при электролизе.
По кривой зависимости плотности тока от потенциала электродов видно, что граничная плотность тока составляет 150--200 А/иг, а соответствующие ей-граничный потенциал - 1,3... 1,4 В. и граничный градиент напряжения 2...3 В/Л/. Учитывая, что стандартный потенциал выделения кислорода в кислых средах равен 1,23 В, электролиз следует вести в области электрохимической кинетики при плотностях тока не более 100 А/иг и с потенциалом анода менее 1,23 В во избежании кислородного барьера. Однако найденные параметры электролиза снижают производительность установок и требуют дополнительных капиталовложений на изготовление электролизеров необходимой производительности. Поэтому были проведены дополнительные исследования электродных процессов в областях смешанной и диффузионной кинетики. На рис.5.4. приведены временные характеристики скорости электродных реакций при различных ее начальных значениях. Все кривые имеют падающие характеристики, и чем выше начальная плотность тока, тем круче и глубже провал. Плотность тока в 200 А/УГ (близкая к граничной) в течение 70 мин падает на 95$ от первоначального значения. Следовательно, кроме причин,установленных теоретическими предпосылками, отрицательно влияют неучтенные факторы. Определение одного из факторов показано на рис.5.5. Чистые катод и анод с одинаковой рабочей площадью опускали в ячейку и устанавливали плотность тока в 500 А/иг. При достижении установившегося значения плотности тока напряжение снимали, анод вынимали и чистили. При подаче напряжения плотность . тока восстанавливалась до 500 А/УГ. Как и предполагалось, поверхность катода оставалась чистой и заметного влияния на процесс не оказывала. Поверхность же анода покрывалась рыхлым налетом темно-серого цвета толщиной до I мм. Очевидно, это продукт взаимодействия коллоидных частиц и гидрата окиси металла, адсорбированного поверхностью анода. Для сравнения опыт проводили при плотности тока в IQOOA/УГ, при этом она восстанавливалась до первоначального значения только при одновременной чистке анода и катода. Отсюда следует,что замедление скоростей электродных реакций до значений плотности
