Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Формирование и экологическая оценка сточных вод, содержащих поверхностно-активные вещества 19
1.1. Формирование сточных вод в технологических процессах предприятий, перерабатывающих натуральные и химические волокна 19
1.1.1. Основные водоемкие процессы и показатели сточных вод предприятий текстильной промышленности 20
1.1.2. Использование воды и формирование сточных вод на предприятиях трикотажной промышленности 38
1.1.3. Водные операции и формирование сточных вод прядильно-ниточных предприятий 48
1.2. Экологическая оценка сточных вод, содержащих ПАВ и другие биорезистентные органические вещества 52
Глава 2. Анализ современных методов технологии воды и направления разработки эффективных процессов очистки сточных вод 61
2.1. Методы очистки сточных вод от загрязнений с ограниченной способностью к биологическому расщеплению 61
2.1.1. Методы выделения загрязнений из сточных вод 64
2.1.2. Методы разрушения загрязнений в сточных водах 98
2.2. Концепция построения технологических процессов очистки сточных вод, содержащих биологически стойкие органические загрязнения 104
Глава 3. Исследование физико-химических и гидродинамических факторов получения и формирования структуры газовой дисперсии 112
3.1. Обоснование направления теоретических и экспериментальных исследований 115
3.2. Исследование условий электрохимического получения газовой дисперсии в воде 115
3.2.1.Анализ физико-химических положений газовыделения при электролизе воды 115
3.2.2. Изучение влияния плотности тока и рН на удельное газовыделение 122
3.3. Исследование структуры потока диспергированной газовой фазы во флотационной камере 130
3.3.1. Физико-химические положения методики экспериментальных исследований 130
3.3.2. Изучение влияния фракционного состава диспергированной газовой фазы на формирование ее структуры во флотационной камере 140
3.3.3. Изучение влияния формы флотационной камеры на закономерности движения диспергированной газовой фазы 159
Глава 4. Исследование закономерностей адсорбционно-пузырькового разделения и разработка положений технологического конструирования флотаторов 167
4.1. Исследование поверхностных свойств растворов типичных классов поверхностно-активных и текстильных вспомогательных веществ 167
4.1.1. Исследование взаимосвязи поверхностного натяжения и адсорбционных характеристик на границе раздела фаз "жидкость-газ" в статических условиях 167
4.1.2. Изучение пенообразующей способности типичных классов поверхностно-активных и текстильных вспомогательных веществ 181
4.2. Исследование динамических закономерностей извлечения загрязнений диспергированной газовой фазой 188
4.2.1. Изучение особенностей адсорбции загрязнений на диспергированной газовой фазе 188
4.2.2. Исследование влияния показателя формы камеры флотации на динамику извлечения загрязнений 199
4.2.3. Интенсификация динамики пенообразования и разработка устройств для отделения пенного продукта 203
4.3. Разработка научно-методических положений технологического конструирования и расчета флотаторов 210
4.3.1. Теоретическое обоснование выбора технологических показателей процесса флотации 210
4.3.2. Технологический анализ схем организации движения материальных потоков во флотационных установках 219
4.3.3. Рекомендуемые методические положения расчета флотационных установок и сооружений 232
Глава 5. Исследование и разработка процессов очистки сточных вод с использованием реагентов 245
5.1. Основные направления теоретических и экспериментальных исследований 245
5.2. Исследование и разработка технологии противоточного использования реагентов при коагулировании 246
5.2.1. Теоретическое обоснование принципа противоточного 246 использования коагулянта
5.2.2. Исследование условий эффективного применения режимов противоточного коагулирования растворов красителей и ПАВ 249
5.3. Исследование взаимодействия гидрозолей красителей и ПАВ с полиэлектролитами катионного типа и разработка процесса очистки сточных вод 261
5.3.1. Теоретическое обоснование реагентного получения осадков растворимых органических загрязнений воды 261
5.3.2. Исследование условий осадкообразования и определение оптимальных значений технологических параметров метода лиогенного коагулирования 264
5.3.3.Исследование эффективности очистки воды от красителей и ПАВ методом лиогенного коагулирования 269
5.3.4. Применение технологического процесса лиогенного коагулирования в системе очистки производственных сточных вод 276
5.4. Исследование методов обработки флотошлама и разработка процессов регенерации коагулянта 279
5.4.1. Исследование и разработка процесса экстракционной регенерации коагулянта из флотошлама 280
5.4.2. Исследование и разработка процесса электрохимической регенерации коагулянта 285
Глава 6. Исследование и разработка процесса очистки сточных вод с использованием солей кальция и магния 301
6.1. Основные направления теоретических и экспериментальных исследований 301
6.2. Исследование условий получения малорастворимых соединений кальция и магния из сточных вод установок ионитового умягчения воды 302
6.2.1. Основные положения осадкообразования соединений кальция и магния 302
6.2.2. Методика постановки опытов и экспериментальное изучение условий образования осадков 306
6.3. Исследование механизма очистки сточных вод малорастворимыми соединениями кальция и магния 312
6.3.1. Исследование закономерностей сорбции красителей малорастворимыми соединениями кальция и магния 312
6.3.2. Изучение эффективности очистки сточных вод при совместном присутствии в воде соединений кальция и магния 318
6.4. Исследование полиэлектролитов для интенсификации очистки сточных вод 322
6.4.1. Исследование влияния полиэлектролитов на динамику 322 осаждения дисперсной фазы
6.4.2. Изучение параметров технологического процесса очистки производственных сточных вод 328
6.5. Разработка системы отведения и очистки сточных вод предприятия с использованием солей кальция и магния 336
6.5.1. Формирование системы водного хозяйства красильно-отделочного предприятия 336
6.5.2. Анализ баланса материальных потоков в предлагаемой системе отведения и очистки сточных вод предприятия 341
Глава 7. Разработка комплекса технологических процессов и оборудования для очистки сточных вод 350
7.1. Разработка процесса селективной очистки и регенерации отработанных отварочных растворов 350
7.1.1. Исследование процессов разделения компонентов отварочных растворов 350
7.1.2. Разработка опытно-промышленной установки для селективной очистки отварочных растворов 358
7.1.3. Изучение процесса селективной очистки и регенерации отварочных растворов в производственных условиях 362
7.2. Разработка комплексного процесса очистки сточных вод с противоточным переносом флотошлама и регенерацией коагулянта 369
7.2.1. Испытания процесса очистки сточных вод с использованием противоточного переноса флотошлама 369
7.2.2. Испытания блока электрохимической обработки флотошлама 377
7.2.3. Оценка показателей комплексного процесса очистки сточных вод при многократной регенерации коагулянта 380
7.2.4. Оценка токсичности поступающих и очищенных сточных вод с использованием разработанного технологического процесса 383
7.3. Разработка процесса физико-химической очистки сточных вод и технологических модулей компактных установок 390
7.3.1. Процесс очистки сточных вод и конструктивные особенности технологических модулей установок 390
7.3.2. Основные положения технологического расчета установок 395
7.3.3. Технологические показатели процесса очистки сточных вод и краткие сведения о действующих установках 398
Основные выводы 404
Список литературы 410
Приложения 436
- Экологическая оценка сточных вод, содержащих ПАВ и другие биорезистентные органические вещества
- Концепция построения технологических процессов очистки сточных вод, содержащих биологически стойкие органические загрязнения
- Исследование условий электрохимического получения газовой дисперсии в воде
- Исследование динамических закономерностей извлечения загрязнений диспергированной газовой фазой
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 валового 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 социально-бытовой деятельностью природные воды интенсивно загрязняются биологически стойкими веществами техногенного происхождения (БСЗ), причем это относится как к поверхностным, так и к подземным водам. Наряду с непосредственным попаданием этой группы загрязнений в почву и водоемы, процесс накопления их в значительной мере обусловлен недостаточной степенью очистки сточных вод, отводимых с территорий городов и населенных мест.
Многие органические соединений целенаправленно синтезируются для использования в условиях жестких химических, биологических и физических воздействий. Естественно, что содержащие их сточные 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, пенообразующих и многих других препаратов, обусловливает их присутствие в большинстве видов производственно-технологических и хозяйственно-бытовых сточных 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 на тенденциях подъема промышленного производства, мак
симальное сокращение сброса ПАВ и сопутствующих биологически стойких
загрязнений со сточными водами предприятий является актуальной межотрас
левой задачей. "
іOL НАЦИОНАЛЬНАЯ і БИБЛИОТЕКА I
в.
Проблемам защиты окружающей среды от органических загрязнений с ограниченной биологической окисляемостью посвятили немало трудов известные российские ученые М.ИАпексеев, Ю.В.Воронов, Л.И.Гюнтер, ЯАКарелин, 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 вьшолнен докторами технических наук Л.Н.Губановым, НАЗалетовой, ВАКолесниковым, ИГ.Краснобородько, В.М.Роговым, Ю.П.Седлухо, 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", грантовых программ "Архитектура и строительные науки", а также в рамках Государственных отраслевых программ научно-исследовательских, и опытно-конструкторских работ..
Базовыми предприятиями для апробации новых процессов и сооружений 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 от ПАВ, красителей и других загрязнений с ограниченной способностью к биологическому расщеплению.
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в ходе работы разрабатывались научные и методические основы технологии очистки сточных вод и решались следующие основные задачи:
- анализ источников поступления в сточные воды ПАВ, стойких органи
ческих загрязнений, их долю, а также определение основных направлений соз
дания 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 исследова
ний по интенсификации процессов коагулирования сточных вод с использова-
ниєм 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 на регенерацию активной части коагулянта;
оценка токсического влияние поступающих и очищенных сточных 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 приготовленных растворах для устранения влияния побочных факторов на изучаемый процесс. Контроль физико-химических показателей сточных вод осуществлялся унифицированными методами с использованием потенциометрического, кондуктометрического, колориметрического, ионометрического и другого аналитического оборудования.
Обработка первичной информации, полученной в опытах, выполнялась на основе элементов теории вероятности и математической статистики с использованием компьютерных программ DATAFIT фирмы Oakdale Engineering, TABLECURVE 3D фирмы AISN Software, Inc., SURFER 7.0 фирмы Golden Software Inc., MATHCAD 2001І, AXUM 7.0 фирмы MathSoft Inc., а также специальных, разработанных автором. Оценка результатов исследований выполня-
лась 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 путем выявления корреляционной связи факторов с эмпирическими параметрами.
Научная новизна состоит в развитии актуального направления 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 извлечения 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 реагентной обработки воды с противоточным переносом гидроксидных соединений солей коагулянтов, разработана математическая модель, алгоритм и программа расчета числа ступеней переноса;
дано теоретическое обоснование и создан новый способ очистки сточных вод от молекулярно- и ионнорастворенных органических соединений путем коагуляции предварительно сформированного лиофильного золя, впервые
экспериментально установлены оптимальные 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 по данным потенциометрического титрования воды и групповому показателю жесткости;
разработаны научно-методические основы новых процессов регенерации 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 ряда 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;
разработан новый технологический процесс регенерации отварочных растворов на основе селективного адсорбционно-пузырькового разделения мас-лосодержащей 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 ППГГО;
разработан и экспериментально оптимизирован в опытно-промышленных условиях комплексный технологический процесс очистки сточных вод и обработки флотошлама;
- разработаны способы интенсификации динамики флотации и предложе
ны технические решения по их осуществлению, применяемые во флотацион
ных установках и сооружениях;
разработаны научно-методические положения технологического конструирования и алгоритм расчета флотаторов, связывающие систему технологических показателей с конструктивными особенностями проектируемых сооружений и установок;
разработан технологический процесс и конструкции модулей компактных установок физико-химической очистки сточных вод, содержащих ПАВ и другие загрязнения, запроектированных ЗАО "Фирма КУБОСТ" для 16 объектов. В настоящее время эксплуатируются 14 установок на 13 объектах Российской Федерации и Республики Беларусь.
Суммарная экономическая эффективность предложенных технологий, внедренных на предприятиях, составила более 36,9 млн. 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 водоотведение" 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 автором и предназначенных для обработки экспериментальных данных и технологических расчетов. Автором диссертации на кафедре Водоотведения МГСУ создана лаборатория физико-химических процессов очистки воды, являющаяся базой 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 разделительных 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-
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 адсорбционно-пузырькового разделения;
теоретические положения и новые экспериментальные данные по интенсификации коагулирования сточных вод путем противоточного переноса коагулирующей смеси.
Апробация работы. Московская городская научно-практическая конференция "Технический прогресс и ускорение строительства" (Москва, 1988 г.); Международная научно-практическая конференция "Социально-экономическое развитие областей в условиях самоуправления и самофинансирования. Проблемы и пути их решения" (Караганда, 1990 г.); XLVT, XLVTI научно-технические конференции (Москва, 1988, 1991 г.); Всесоюз. конференция ГКЛП "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 "AQUA-THERM 2000" (Москва, 2000 г.); IV, V и VI-ая научно-практические конференции "Строительство-формирование 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.
Экологическая оценка сточных вод, содержащих ПАВ и другие биорезистентные органические вещества
Современные технологии защиты окружающей среды в области предотвращения загрязнения водных объектов сточными водами городов и промышленных предприятий базируются на процессах биохимической деструкции органических компонентов. Сооружения полной биологической очистки, выполняя важную барьерную роль в предотвращении загрязнения водоемов, во многих случаях сталкиваются с проблемой недостаточности степени задержания загрязнений, по своим свойствам, относящимся к биологически стойким загрязнениям.
Исследования состава сточных вод, поступающих на муниципальные очистные сооружения, а также отводимых по системам водостоков, показывают тенденцию постоянного увеличения в них доли органических компонентов техногенного происхождения таких, как синтетические поверхностно-активные вещества, галоген- и металлорганические соединения, нефтепродукты, синтетические красители и многих других [19-22].
В результате биологической деструкции загрязнений на коммунальных очистных сооружениях часть образующихся продуктов становятся биологически стойкими и не участвуют в последующих стадиях процесса минерализации. В большей мере это относится к биологической деструкции загрязнений промежуточного типа, в меньшей - к биологически "мягким". Биологически стойкие загрязнения, входящие в состав поступающих на очистные сооружения сточных вод, практически полностью сохраняются в очищенной воде. Принципиальная схема превращения загрязнений представлена на рис. 1.8. Таким образом, происходит увеличение массы БСЗ в очищенных сточных водах, и дальнейшее их поступление в природные водоемы. Аналогичные процессы расщепления органических веществ техногенного происхождения происходят и в естественной природной среде.
В отличие от биологически разлагаемых соединений, БСЗ, как правило, не оказывают внешне заметного, кроме органолептических показателей, вредного воздействия на окружающую среду. Однако опасность БСЗ проявляется отдаленно в результате проникновения на большие глубины в почву, накопления в воде, живых организмах и растениях [23, 24].
Изучение производственных сточных вод текстильных и трикотажных предприятий показывает преобладание органических загрязнений технологического происхождения таких, как синтетические ПАВ, красители, смолы, нефтепродукты и др.
Анализ трансформации органической части загрязнений сточных вод предприятий под воздействием биологических факторов выполнен на примере рассматриваемых видов производств. Оценка массы загрязнений, поступающих в сточные воды, сделана по усредненному удельному отходу в сточные воды красителей, ПАВ и текстильных вспомогательных веществ. Полученные результаты приведены на рис. 1.9 и в Приложении 3. Следует отметить, что оценка компонентов сточных вод сделана по препаратам с известными показателями биоразлагаемости, по официальным источникам [25, 26] и для рекомендованных к применению биоразлагаемых препаратов. Обследование существующих предприятий, дает основание считать приведенные данные более благополучными по сравнению с реальным положением.
Результаты анализа показывают, что основная масса органических за-грязнений, отводимых со сточными водами текстильных, трикотажных и прядильно-ниточных предприятий приходится на долю ПАВ и ТВВ, часть видов которых также относятся к ПАВ. В то же время, биоразлагаемость применяемых красителей в среднем составляет менее 50%. Общая масса органического вещества, не расщепляемого при биологических воздействиях на очистных сооружениях и в окружающей среде, изменяется в пределах от 30 до 40%. При этом концентрация БСЗ в сточных водах достигает 140...200 мг/л. В пересчете на продукцию количество сбрасываемых в окружающую среду БСЗ составляет 42...60 кг/т.
Концепция построения технологических процессов очистки сточных вод, содержащих биологически стойкие органические загрязнения
Эффективное решение проблемы сокращения массы БСЗ, поступающих в окружающую среду со сточными водами предприятий, возможно при комплексном подходе, основанном на развитии двух основных направлений: - создание систем рационального водопользования в производственных процессах; - разработка высокоэффективных технологий и оборудования для извлечению БСЗ из сточных вод.
Первое направление предполагает минимизацию массы сбрасываемых БСЗ со сточными водами и возврат их в производство. Достигается это применением систем повторного, многократного и противоточного использования технологических растворов и промывных вод в процессах производства, вследствие более полного использования реагентов и воды и большей эффективности очистки концентрированных сточных вод [247].
Значительный эффект обеспечивает применение в этих системах селективной очистки сточных вод (рис.2.4).
В отличие от обычных очистных комплексов, селективная очистка позволяет извлекать из технологических растворов и сточных вод загрязнения, препятствующие их многократному или повторному использованию. При этом основная масса введенных реагентов остается в воде, возвращаемой в производство. Селективной очисткой достигается значительное сокращение сброса ПАВ, красителей, электролитов и т.п. в систему водоотведения, а также экономия этих реагентов в основном производстве [248]. В наибольшей мере это проявляется в случае применения установок селективной очистки в системе многократного использования отработанных технологических растворов.
Второе направление предполагает сокращение массы БСЗ, поступающих в природные водоемы с очищенными сточными водами.
Эффективная очистка сточных вод, содержащих БСЗ, в общем случае может быть осуществлена сочетанием процессов извлечения загрязнений из воды (разделительных) и процессов расщепления их в массе воды (деструктивных).
Принципиальное различие в применении этих групп процессов заключается в следующем. При осуществлении разделительного процесса снижение величин лимитирующих санитарно-химических показателей обусловлено извлечением загрязнений, ответственных за них. Применение деструктивных процессов воздействия на систему загрязнений сопряжено с разрушением первоначальных веществ и появлением в воде продуктов деструкции. При этом также происходит снижение величин лимитирующих показателей, но только вследствие утраты этими загрязнениями идентификационных признаков. Следовательно, разделительные процессы очистки воды обеспечивают уменьшение массы загрязнений в обрабатываемой воде, в то время, как деструктивные видоизменяют их химический состав. В экологическом смысле применение разделительных процессов можно определить, как "истинную" очистку воды, а деструктивных - как "формальную". Наглядный пример этого - существенные различия в терминологических понятиях "очистка воды от окрашивающих веществ" и "обесцвечивание".
С позиций минимизации содержания БСЗ в очищенных водах, сбрасываемых в природные водоемы, представляется перспективным использование процессов деструкции, в том числе биологической, в сочетании с другими процессами извлечения загрязнений [249-254].
Исследование условий электрохимического получения газовой дисперсии в воде
Электрохимический способ получения ДГФ обладает целым рядом особенностей, положительно отличающих его от других, близких по дисперсному составу образующейся газовой фазы. Главные из технологических преиму- ществ - возможность регулирования интенсивности газовыделения в широких пределах, при неизменном объеме обрабатываемой воды, и возможность размещения "генератора" газовой фазы в любой точке флотатора. Относительная простота осуществления электрохимического способа обуславливает удобство использования его в исследованиях флотации загрязнений высокодиспергиро-ванной газовой фазой [260, 261]. Поэтому в работе уделено особое внимание изучению механизма электрохимического получения газовой дисперсии в воде. Основу диспергированной газовой фазы при электрохимическом спосо-бе получения составляют газообразные продукты реакций, происходящих на электродах, в межэлектродном пространстве и в объеме обрабатываемой воды, а также водяной пар. На долю водорода и кислорода приходится большая часть этих продуктов. В общем случае при электролитическом разложении воды на катоде выделяется водород, а на аноде кислород. Доля других продуктов определяется составом сточных вод, материалом электродов и условиями проведения электролиза. С позиций получения диспергированной газовой фазы для процессов адсорбционно-пузырькового разделения наибольший интерес представляет общий выход электролизных газов и дисперсный состав газовой фазы. На первой стадии электролиза воды при рН 7 на катоде происходит разряд ионов гидроксония с образованием атомарного водорода, адсорбированного на его поверхности. На последующей - рекомбинация его в молекулярный. В зависимости от материала электродов и параметров электролиза может преобладать каталитический или электрохимический механизм процесса [262]: На аноде при этих условиях происходит разряд молекул воды: Электролиз воды в щелочной среде происходит при недостаточности катионов водорода, путем прямого восстановления молекул воды на поверхности катода с образованием аниона гидроксила и адсорбированного атомарного водорода, далее рекомбинирующегося в молекулярный по схеме: Анодный процесс в данном случае определяется разрядом гидроксидов: Предполагается более сложный механизм образования молекулярного кислорода на аноде. Суть этого процесса заключается в его многостадийное. Основными стадиями его являются окисление материала анода с образованием высших окислов и последующий распад их с образованием молекулярного кислорода и окислов меньших порядков: Промежуточные высшие окислы представляют нестойкие соединения со слоями адсорбированного кислорода разной степени насыщения. При малых плотностях тока и низких значениях анодного потенциала процесс выделения кислорода лимитируется стадией разложения высшего окисла. При высоких плотностях тока лимитирующей стадией становится разряд гидроксилов или молекул воды на поверхности анода, рассмотренные ранее. Анионы СГ, SO4 ", SiC 3 \ СО3 при малом содержании практически не разряжаются, так как это требует более высоких потенциалов, чем для прохождения основных реакций. При значениях рН обрабатываемых вод близких к нейтральным, все рассмотренные процессы могут иметь место в определенных соотношениях. Теоретическое напряжение разложения воды по обобщенной схеме: Н20 - Н2 + 1/2 02 с учетом изменения изобарно-изотермического потенциала AG0, равного 237190 Дж/моль для реальных условий ( 1 атм, 25 С), составит где Z - число электронов, участвующих в элементарной электродной реакции, равное 2; F - число Фарадея, равное 96521 к/г-экв.
Исследование динамических закономерностей извлечения загрязнений диспергированной газовой фазой
Методы очистки сточных вод с использованием технологий АПР универсальны для удаления загрязнений, находящихся в различных фазово-дисперсных состояниях. Однако эффективность работы флотационных сооружений зависит от конструктивных и технологических решений, а также условий реализации процессов в каждом конкретном случае.
Анализ многих примеров практического использования процессов АПР при решении конкретных задач очистки воды позволил автору выдвинуть принцип подхода к подхода к флотации как к способу очистки сточных вод.
В основе этого принципа содержится положение, согласно которому в процессе флотации из воды извлекаются не отдельные конкретные загрязнения, которых множество, а гетерофазные структуры определенного типа -флотокомплексы. Такой подход позволяет все многообразие примеров флотационной очистки воды свести к ограниченному числу принципиально отличающихся типичных вариантов. В этом случае знание закономерностей формирования и движения характерных типов флотокомплексов позволяет целенаправленно осуществлять конструирование, реконструкцию и эксплуатацию флотационных установок и сооружений применительно к любым, доступным для них задачам.
Исследованиями структур флотируемых агрегатов, было установлено, что элементарный флотокомплекс может быть трех типов [145].
Первый тип - образуется в результате столкновения и последующего "слипания" дисперсных частиц загрязнений (твердых или жидких) с движущимися пузырьками воздуха или другого газа. Структура этого флотоком-плекса, как правило, состоит из одиночных относительно крупных пузырьков с закрепившимися на их поверхности частицами загрязнений. Условно, этот тип флотокомплексов можно назвать газово-дисперелым. Крупные размеры пузырьков обусловливают невысокую механическую прочность флотоком- плекса вследствие относительно высоких скоростей всплывания, создающих значительные напряжения сдвига на межфазной поверхности, и малой энергии связи частицы с поверхностью пузырька, зависящей от ее кривизны. Этот тип флотокомплекса характерен для флотационных установок с пневматической и гидромеханической системой получения ДГФ.
Второй тип формируется при выделении газа из обрабатываемой воды в условиях уменьшения его растворимости. Поскольку вероятность зарождения пузырьков на межфазной границе во много раз больше вероятности их возникновения в объеме чистой воды, дисперсные частицы загрязнений становятся центрами формирования флотокомплексов. В дальнейшем в результате коа-лесценции газовой фазы он может трансформироваться в первый тип. Однако, при определенных условиях, например присутствие в воде ПАВ, второй тип флотокомплекса достаточно устойчив. Структурно он определяется как дисперсно-газовый. Вследствие высокой поверхностной энергии, этот тип флотокомплексов может образовывать более крупные флотоагрегаты, состоящие из нескольких элементарных комплексов. Флотокомплексы этого типа преобладают в компрессионных, вакуумных, электрохимических и других установках с получением ДГФ выделением ее из воды.
Многие органические вещества, входящие в систему загрязнений сточных вод, проявляют сорбционные свойства на границе раздела фаз "вода-газ". Контакт всплывающих пузырьков газа с такими веществами приводит к образованию на их поверхности адсорбционного слоя, формируя третий тип флотокомплексов — газово-молекулярный. Наличие этого типа в структуре флотационной пульпы обуславливается главным образом физико-химическими свойствами системы загрязнений и мало зависит от вида флотационного сооружения. Типичным примером является флотокомплекс, возникающий при контакте пузырьков газа с молекулами ПАВ.
При гидромеханическом взаимодействии потоков воды, загрязнений и флотокомплексов внутри камеры флотации, наибольшую устойчивость проявляет структура газово-молекулярного флотокомплекса, а наименьшую - газово-дисперсного.
Обобщенные данные по формированию, свойствам и применению рассмотренных типов флотокомплексов представлены в табл. 4.3.
Характерной особенностью процесса флотации является наличие двух видов границ раздела фаз - динамической и инверсионной, на поверхностях которых происходят основные стадии процесса.
Динамическая поверхность, образованная боковой поверхностью пузырьков газа, находящихся в объеме жидкости, постоянно возобновляется в результате работы системы получения ДГФ.
Инверсионная поверхность - это открытая поверхность флотатора, на которой также происходит постоянное обновление вследствие инверсии фаз — пенообразования.
В данном случае оба типа поверхностей можно рассматривать как мета-стабильные, поскольку их локальные параметры приводятся к некоторым средним величинам, сохраняющим постоянство в течение периода наблюдения.
Процесс извлечения загрязнений из воды начинается с возникновением динамической поверхности. Скорость заполнения ее зависит от электростатического взаимодействия двойных электрических слоев извлекаемых частиц и пузырьков, скоростей диффузионного и гидродинамического массопереноса и ряда других факторов. Максимальное значение этой скорости имеет место в момент образования динамической поверхности.
