Введение к работе
Актуальность темы. Законом Российской Федерации "Об охране окружающей среды" определено, что основой устойчивого развития, жизни и деятельности народов Российской Федерации является право каждого на благоприятную окружающую среду и обязанность бережного отношения к природным богатствам.
Увеличение вачового внутреннего продукта на основе расширения товарного производства требует более интенсивного использования природных и в том числе водных ресурсов, вовлечение их в систему экономической деятельности.
Данные экологических мониторингов, проводимых в России и за рубежом, свидетельствуют о том, что в районах с развитой производственной и со-циачьно-бытовой деятельностью природные воды интенсивно загрязняются биологически стойкими веществами техногенного происхождения (БСЗ), причем это относится как к поверхностным, так и к подземным водам. Нараду с непосредственным попаданием этой группы загрязнений в почву и водоемы, процесс накопления их в значительной мере обусловлен недостаточной степенью отшстки стотшых вод, отводимых с территорий городов и населенных мест.
Многие органические соединений целенаправленно синтезируются для использования в условиях жестких химических, биологических и физических воздействий. Естественно, тгго содержащие их стотшые воды, не могут быть эффективно очищены на коммунальных очистных сооружениях, использующих биологические процессы. Кроме этого, при биологической минерализации органических веществ, наряду с уменьшением их общего содержания, происходит увеличение доли биологически стойких соединений.
Наиболее распространенным видом загрязнений, обладающих биорезистентными свойствами, являются синтетические поверхностно-активные вещества (ПАВ). Широчайшее использование этих веществ как основы моющих, стабилизирующих, пеиообразуюпшх и многих других препаратов, обусловливает их присутствие в большинстве видов производственно-технологических и хозяйственно-бытовых стотшых вод. Вследствие уникальных физико-химических свойств ПАВ, ущерб, наносимый ими окружающей среде, нельзя недооценивать.
Применение ПАВ всегда сопровождается присутствием других технологические реагентов или отделяемых веществ. В связи с этим сточные воды, содержащие поверхностно-активные вещества, характеризуются сложным химическим и фазово-дисперсным составом, также рядом общих признаков, позволяющих рассматривать их как характерный вид сточных вод.
Основываясь па тенденциях подъема промышленного производства, максимальное сокращение сброса ПАВ и сопутствуюпшх биологически стойких загрязнений со сточными водами предприятий яшгяется актуальной межотраслевой задачей.
Проблемам зашиты окружающей среды от органических загрязнений с ограниченной биологической окисляемостью посвятили немало трудов известные российские ученые М.ИАлексеев, Ю.В.Воронов, Л.И.Гюнтер, Я А Карелин, Ю.М Ласков, НАЛукиных, В.В.Найденко, В.Г.Перевалов, В.Г.Пономарев, Э.С.Разумовский, И.В.Скирдов, В.Н.Швецов, С.В.Яковлев.
Большой объем экспериментально-теоретических и инженерно-технологических работ выполнен докторами технических наук Л.Н.Губановым, НАЗсшеювой, ВАКолесниковым, ИГ.Краснобородько, В.М.Роговым, Ю.П.Седчухо, В.И.Щербаковым.
В основу диссертационной работы положены многолетние исследования, выполненные непосредственно автором и под его руководством в лабораториях кафедры Водоотведения МГСУ.
Исследования проводились в рамках Государственных программ по направлениям "Строительство", "Архитектура и строительство", фантовых программ "Архитектура и строительные науки", а также в рамках Государственных отраслевых программ научно-исследовательских, и опытно-копструкгорских работ..
Базовыми предприятиями для апробации новых процессов и сооружен™ были Московское производственное чулочно-носочное объединение. Московский шелковый комбинат "Красная Роза", Наро-Фоминский шелковый комбинат (г. Наро-Фоминск, Московская обл.), Прядильно-ниточный комбинат им. СМ.Кирова (г. Санкт-Петербург), Жодинского ПШТО "Світанак" (г. Жодино, Республика Беларусь),
Цель работы - создание эффективных технологических процессов и сооружений для очистки сточных вод от ПАВ, красителей и других .-загрязнений с ограниченной способностью к биологическому расщеплению.
Объект исследования - сточные воды, содержащие ПАВ и сопутствующие стойкие органические загрязнения на примере предприятий по переработке натуральных и химических волокон легкой промышленности, а также поверхностные и моечные сточные воды.
Предмет исследований - физико-химические свойства и основные закономерности физико-химических процессов очистки сточных вод or ПАВ, красителей и других загрязнений с ограниченной способностью к биологическому расщеплеїшю.
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в ходе работы разрабатывачись научные и методические основы технологии очистки сточных вод и решались следующие основные задачи:
- анализ источников поступления в сточные воды ПАВ, стойких органических загрязнений, их долю, а также определение основных направлений создания эффективных технологических процессов очистки сточных вод;
- исследование закономерностей прохождения основных стадий процесса адсорбционно-пузырькового разделения и разработка научных положений технологического конструирования и расчета флотаторов;
- проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований по интенсификации процессов коагулирования сточных вод с использова 5
пием традиционных минеральных реагентов и других неорганических и органических соединений;
- теоретическое обоснование и исследование закономерностей селективной очистки моющих растворов, содержащих ПАВ, создание научной основы метода их регенерации;
- интенсификация методов обработки концентрированных отходов очистки сточных вод коагулированием, ориентированных па регенерацию активной части коагулянта;
- оценка токсического влияние поступающих и очищенных СТОТЕНЫХ вод, содержащих ПАВ, на микроорганизмы активного ила;
- разработка новых технологических процессов и оборудования, обеспечивающих эффективную очистку сточных вод от ПАВ и сопутствующих загрязнений, находящихся в различных фазово-дисперсных состояниях; - проведение испытаний разработанных технологических процессов и инженерных решений в системе очистки производственных сточных вод.
Методы исследования. Методическими основами экспериментальных исследований являлись:
- анализ теоретических положений;
- исследование свойств изучаемого объекта в условиях ограничений, обусловленных задачами конкретных экспериментов;
- изучение области применения и технологических параметров разрабатываемого метода очистки воды.
Проведение исследований осуществлялось в последовательности: теоретическая рабочая гипотеза - методическое обеспечение - экспериментальные исследования — обработка первичной информации и опенка полученных результатов - формирование адекватной модели процесса, вывода или положения.
Рабочая гипотеза отражала принципиальное решение конкретной задачи, подчиненной достижению цели работы.
При разработке методического обеспечения прежде всего учитывались условия получения достоверных результатов. Это служило основанием выбора масштаба экспериментальных моделей, оборудования, критериев моделирования, а также повторяемости отдельных опытов.
Экспериментальные исследования проводились непосредственно с объектом исследований, а также на искусственно приготоаленных растворах для устранения итияния побочных факторов на изучаемый процесс. Контроль физико-химических показателей сточных вод осуществлялся унифицированными методами с использованием потенциометрического, коидуктометрического, колориметрического, ионометрического и другого анаштического оборудования.
Обработка первичной информации, полученной в опытах, выполнялась на основе элементов теории вероятности и математической статистики с использованием компьютерных программ также специальных, разработанных автором. Оценка результатов исследований выполнялась с использованием теорий адсорбционного равновесия и агрегативной устойчивости дисперсных систем, теоретических основ физико-химических и гидродинамических процессов.
Формирование адекватной модели процесса, вывода или положения основывалось на теоретической гипотезе пугаем выявления корреляционной связи факторов с эмпирическими параметрами.
Научная новизна состоит в развитии актуального напратения в области очистки сточных вод от загрязнений с ограниченной способностью к биологическому расщеплению, таких как ПАВ, синтетические красители, высокомолекулярные и другие органические соединения, разработке научных основ процессов их извлечения физико-химическими методами. Наиболее важные элементы научной новизны заключаются в следующем:
- предложена концепция построения технологических процессов очистки сточных вод, содержащих биологически стойкие и ограниченно расщепляемые органические загрязнения, основанная на функциональных особенностях разделительных и деструктивных методов;
- разработаны методика, алгоритм и компьютерная программа для определения фракционного состава газовой дисперсии в жидкости на основе принципов седиментационного анализа твердой фазы;
- установлены закономерности формирования структуры диспергированной газовой фазы (ДГФ), предложена эволюционная модель движения газонаполненного объема жидкости в пространстве флотационной камеры и получено уравнение совокупной скорости всплывания ДГФ для флотационных камер с разным соотношением основных размеров;
- экспериментально обоснована целесообразность применения адсорбционного уравнения Лэнгмюра для описания динамического равновесия на поверхности ДГФ ионов и молекул ПАВ, даны теоретическое обоснование и методика определения впервые введенного технологического показателя "удельная флотация";
- получены новые аналитические зависимости для описания характерных видов динамики флотационного изалечеиия загрязнений, позволяющие рассчитывать количество и поверхность ДГФ в соответствии со спецификой загрязнений и необходимой глубиной очистки воды;
- теоретически обоснован и экспериментально подтвержден новый механизм адсорбционно-пузырькового разделения сложных фазово-дисперсных систем, содержащих ПАВ, основанный на различиях скоростей замещения извлекаемых загрязнений на динамической поверхности ДГФ;
- теоретически обоснован и экспериментально исследован новый способ реагептной обработки воды с противоточпым переносом гидроксидных соединений сшей коагулянтов, разработана математическая модель, алгоритм и программа расчета числа ступеней переноса;
- дано теоретическое обоснование и создай новый способ очистки сточных вод от молекулярно- и иоппораствореппых органических соединений путем коагуляции предварительно сформированного лиофилыюго золя, впервые экспериментально устаношіеньї оптимачьные условия осуществления метода лиогенного коагулирования.
- установлен адсорбционный механизм взаимодействия органических загрязнений производственных сточных вод с осадками малорастворимых соединений, полученных из стоков, отводимых от установок ионитового умягчения технологической воды, найдены условия эффективного извлечения органических загрязнений;
- экспериментально показана возможность определения индивидуального содержания ионов кальция и магния в воде поданным потенциометрического титрования воды и групповому показателю жесткости;
- разработаны научно-методические основы новых процессов регеиера-\цт минеральных коагулянтов из осадков сточных вод с использованием методов жидкостной экстракции и электрохимической деструкции.
Научная новизна результатов исследований и принятых на их основе технических решений подтверждена авторскими свидетельствами и патентами Российской Федерации: №887467, №880998, №947065, №996333, №1011548, №2029736, №2031848.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются многократным воспроизведением экспериментов высокой сходимостью расчетных и экспериментальных результатов, использованием стандартных методов измерения, статистической обработкой результатов исследований, сопоставимостью рада полученных данных с описанными в литературе. Обоснованность предлагаемых технологических процессов обработки воды, схем и конструктивных разработок подтверждена лабораторными и производственными испытаниями, результатами работы промышленных установок.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
- разработан и экспериментально изучен новый технологический процесс очистки производственных сточных вод с использованием солей жесткости, сбрасываемых со сточными водами от установок ионитового умягчения воды;
- разработай новый технологический процесс регенерации отварочиых растворов на основе селективного адсорбционно-пузырькового разделения мас-лосодержашей эмульсии, стабилизированной ПАВ, впервые примененный в производственных условиях Наро-Фоминского шелкового комбината;
- разработан новый технологический процесс очистки сточных вод, содержащих активные красители и ПАВ, на основе метода лиогенного коагулирования и впервые применен в производственных условиях на Жодинском ПШТО;
разработан и экспериментально оптимизирован в опытно-промышленных условиях комплексный технологический процесс очистки сточных вод и обработки флотошлама;
- разработаны способы интенсификации динамики флотации и предложены технические решения по их осуществлению, применяемые во флотационных установках и сооружениях; - разработаны паучпо-методичсскис положения технологического конструирования и алгоритм расчета флотаторов, связывающие систему технологических показателей с конструктивными особенностями проектируемых сооружений и установок;
- разработан технологический процесс и конструкции модулей компакт-пых установок физико-химической очистки сточных вод, содержащих ПЛВ и другие загрязнения, запроектированных ЗАО "Фирма КУБОСТ" дня 16 объектов. В настоящее время эксплуатируются 14 установок на 13 объектах Российской Федерации и Республики Беларусь.
Суммарі іая жоі юмическая оффскгиві юсть предложенных техі юлогий, внедренных па предприятиях, составила более 36,9 мли. руб. в год (в ценах 2003 г.)
Теоретические и прикладные результаты выполненной работы включены в учебную и учебно-методическую литературу для студентов, обучающихся по специальности 290800 "Водоснабжение и водоотведепие" и используются в учебном процессе, включая лабораторные занятия, курсовое и дипломное проектирование.
Личный вклад автора заключается в формировании концепции построения работы, направленной на решение актуальной проблемы, в постановке цели и разработке задач исследований. Им разработаны теоретические основы новых методов и технологических процессов очистки сточных вод, разработано методическое обеспечение проведения исследований, выполнена обработка полученных результатов, сформулированы научные положения и выводы. Автор принимал личное или непосредственное участие во всех экспериментальных, опытно-конструкторских и наладочных работах, связанных с разработкой и внедрением результатов исследований з опытно-промышленных и промышленных условиях. Научные положения и результаты исследований положены в основу алгоритмов специальных компьютерных программ, написанных авгаром и предназначенных для обработки экспериментальных данных и технологических расчетов. Автором диссертации па кафедре Водоотвсдепия МІСУ создана лаборатория физико-химических процессов очистки воды, являющаяся ба:юй проведения учебных занятий и научно-экспериментальных работ.
Научные положения, выносимые на защиту:
- концепция построения технологических процессов очистки сточных вод, содержащих биологически стойкие и ограниченно расщепляемые органические загрязнения, основанная на функциональных особенностях раздели тельных и деструктивных методов;
- закономерности формирования структуры ДГФ и модель движения газонаполненного объема жидкости в пространстве флотационной камеры;
- научное обоснование и определение впервые введенного технологического показателя "удельная флотация", аналитические зависимости для описания" характерных видов динамики флотационного извлечения загрязнений;
- обоснование и результаты экспериментальных исследований, подтверждающие механизм адсорбционно-пузырькового разделения сложных фазово 9
дисперсных систем, содержащих ПАВ, основанный на отличие скоростей замещения извлекаемых загрязнений на динамической поверхности ДГФ;
- научно-методические положения технологического конструирования и алгоритм расчета флотационных установок и сооружений;
- новый технологический процесс очистки сточных вод с использованием солей жесткости;
- новый метод лиогенного коагулирования и технологический процесс очистки сточных вод, содержащих ПАВ и активные красители;
- новый технологический процесс регенерации растворов, содержащих ПАВ, на основе селективного адсорбнионно-пузырькового разделения;
- теоретические положения и новые экспериментальные данные по интенсификации коагулирования сточных вод путем противоточі-гого переноса коагулирующей смеси.
Апробация работы. Московская городская научно-практическая конференция "Технический прогресс и ускорение строительства" (Москва, 1988 г.); Международная наутао-практическая конференция "Социально-экономическое развитие областей в условиях самоуправления и самофинансирования. Проблемы и пуги их решения" (Караганда, 1990 г.); XLVI, XLVII иаучпо-техггические конференции (Москва, 1988, 1991 г.); Всесоюз. конференция l KJIII "Проблемы окружающей среды на предприятиях отрасли" (Москва, 1991 г.); П-ая научно-практическая конференция стран СНГ Человек-общество-наука" (Москва, 1993 г.); Московская городская конференция "Конверсия-городу" (Москва, 1994); Международная научно-практическая конференция "Экологическая безопасность строительства" (Москва, 1999 г.); IV-ая международная выставка "AQUAHERM 2000" (Москва, 2000 г.); IV, V и VI-ая научно-праісгические конференции "Строите;іьство-формироваиие среды жизнедеятельности" (Москва, 2001, 2002,2003 г.); Научно-практическая конференция "Московские вузы -строительному комплексу Москвы для обеспечения устойчивого развития города" (Москва, 2003 г.); 6-ой Международный конгресс "ЭКВАТЭК-2004" (Москва, 2004).
Публикации. Материалы по теме диссертации представлены в 54 опубликованных работах, в том числе в 7 авторских свидетельствах и патентах на изобретение, 4 учебных и учебно-методических работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка литературы, содержащего 331 наименование, и приложений. Работа изложена на 435 страницах, содержит 96 рисунков и 53 таблицы в тексте. Приложений 50 страниц.
Выражаю глубокую благодарность профессору, доктору технических наук Ю.В.Воронову за ценные советы, замечания и консультации при подготовке диссертации. С благодарностью обращаюсь к памяти о профессоре, докторе технических наук Ю.М.Ласкове, под руководством которого работал многие годы. Особую благодарность выражаю преподавателям и сотрудникам кафедры водоотведения МГСУ за поддержку и помощь в работе.
