Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современных методов очистки питьевых и сточных вод от фенолов 11
1.1 Фенол, его токсичность и влияние на качество воды и организм человека 11
1.2 Обзор существующих методов очистки сточных вод от фенолов 13
1.3 Выводы 22
2 Обоснование возможности интенсификации процесса озонирования воды гидродинамической кавитацией . 24
2.1 Озон, его строение и свойства 24
2.2 Применение озона для глубокой очистки фенолсодержащих вод 27
2.2.1 Механизм реакции озона с фенолом 27
2.2.2 Токсичность продуктов, образующихся при окислении фенола озоном 31
2.3 Применение озона для очистки и обеззараживания вод, используемых для питьевых целей 33
2.3.1 Применение озонирования на различных стадиях водоподготовки 34
2.3.2 Обеззараживание воды озоном 36
2.4 Смешение озона с водой 38
2.4.1 Конструкции контактных аппаратов, применяемых для смешения озона с водой 40
2.5 Научные предпосылки применения явления гидродинамической кавитации для интенсификации процесса очистки воды 44
2.5.1 Сущность и классификации явления кавитации 44
2.5.2 Взаимосвязь интенсивности кавитационного перемешивания с эрозионной активностью гидродинамической кавитации 47
2.5.3 Анализ факторов, влияющих на интенсивность кавитации в гидродинамических установках 50
2.6 Химические явления, возникающие при кавитации и их возможность влиять на процесс очистки воды 53
2.7 Выводы 54
3 Программа и методика экспериментальных исследований 56
3.1. Программа экспериментальных исследований 56
3.2 Методика проведения экспериментальных исследований по определению влияния гидродинамической кавитации на основные показатели качества воды 57
3.3 Методика проведения сравнительных экспериментальных исследований по определению эффективности смешения двухфазных потоков с использованием кавитационного и эжекционного смесителей 58
3.4 Общая методика проведения экспериментальных исследований по определению влияния различных факторов на процесс очистки воды от фенола и определению их оптимальных значений 61
3.4.1 Описание лабораторной экспериментальной установки и её основных узлов 63
3.4.2 Техника безопасности при работе с озоном и методика определения концентрации озона в воздухе 74
3.4.3 Выбор критерия оптимизации и основных факторов варьирования 75
3.4.4 Методика определения концентрации фенола в воде 76
3.4.5 Методика проведения экспериментальных исследований 79
3.4.6 Выбор значений основных факторов, влияющих на процесс очистки воды 80
3.4.7 Методика проведения многофакторного эксперимента по оптимизации факторов, влияющих на процесс очистки воды от фенола 83
3.4.8 Оценка погрешности измерений 87
3.4.9 Выводы 88
4 Результаты экспериментальных исследований 89
4.1 Результаты исследований по определению влияния гидродинамической кавитации на улучшение основных показателей качества воды 89
4.2 Сравнительные результаты использования кавитационного и эжекционного смесителей и их результаты 92
4.3 Построение математической модели процесса очистки воды от фенола методом реализации пятифакторного эксперимента (по плану 25"2) 98
4.4 Построение математической модели очистки воды от фенола методом реализации полного трехфакторного эксперимента (по плану 23) 103
4.5 Крутое восхождение к максимуму функции отклика 112
4.6 Выводы 114
5 Результаты экспериментальных исследований, проведенных в реальных условиях 115
5.1 Исследование процесса очистки промышленных сточных вод фанерного комбината "Красный якорь" г. Слободского 115
5.2 Исследование влияния озонированных производственных сточных вод комбината на микроорганизмы биофильтра 125
5.3 Исследования совместного влияния озонирования и кавитации на улучшение качества водопроводной воды 127
5.4 Оценка экономической эффективности применения методов очистки воды от фенола озонированием 131
5.5 Выводы 140
Общие выводы 141
Библиографический список использованной литературы 143
Приложения 155
- Обзор существующих методов очистки сточных вод от фенолов
- Конструкции контактных аппаратов, применяемых для смешения озона с водой
- Описание лабораторной экспериментальной установки и её основных узлов
- Исследование процесса очистки промышленных сточных вод фанерного комбината "Красный якорь" г. Слободского
Введение к работе
Актуальность темы. Состояние водных объектов является одним из основных показателей общей экологической обстановки.
В России высок уровень загрязнения водного бассейна. Сохраняется напряженная обстановка с обеспечением населения доброкачественной питьевой водой. Общее состояние водных источников (поверхностных и подземных) и систем централизованного питьевого водоснабжения не гарантирует требуемого качества питьевой воды. Каждая пятая проба водопроводной воды в России содержит вредные химические вещества в количествах, превышающих нормы предельно допустимых концентраций, каждая восьмая проба не соответствует нормам по бактериологии. Традиционные методы очистки производственных и бытовых сточных вод не в со-*/ стоянии в настоящее время обеспечить требуемого качества воды. Поэтому создание и исследование новых, экологически безопасных, надежных и эффективных систем очистки воды является актуальной задачей.
Для нашей области, где особенно развита промышленность лесного комплекса (235 предприятий), характерно загрязнение водного бассейна фенолами, образующимися в процессе обработки древесины и её распаде. Среднегодовое содержание фенолов в главном водном объекте Кировской области реке Вятке находится на уровне 2-3 ПДК, максимальные концентрации достигали 19 ПДК. Поэтому особую актуальность для нашей области представляет исследование и внедрение эффективных методов очи-v стки от фенолов.
Воду, содержащую фенол, очищают с использованием органических растворителей, ионитов, сорбентов, ректификацией циркулирующим водяным паром, окислением фенолразрушающими бактериями и т.д. Но чаще всего эти методы не приводят к полной очистке воды от фенолов, а также требуют для своего применения тщательного контроля за содержанием примесей в воде, подбора соответствующих экстрагентов, сорбентов и ионитов, громоздкого и сложного оборудования, большого расхода электроэнергии. В технологиях водоподготовки и очистки промышленных сточ-^ ных вод широко применяется^хлорирование,, при использовании которого для обесфеноливания воды возможно образование побочных соединений, однако отказаться от хлорирования в настоящее время не представляется возможным. Поэтому актуальной задачей является возможность уменьшения избыточного поступления хлора в воду за счет более полной его абсорбции водой.
* В руководстве работой принимал участие кандидат технических наук, доцент Дегтерев Б.И.
В настоящее время одним из самых перспективных методов является озонирование, которое позволяет эффективно воздействовать на большое число различных загрязнителей естественного и искусственного происхождения с одновременным обеззараживанием воды. Озонирование не приводит к увеличению солевого состава очищаемых вод. Озон можно получать непосредственно на очистных сооружениях, а источником служит воздух или кислород. Процесс легко поддается автоматизации.
Исключительная окислительная способность озона (как окислитель он уступает только фтору) позволяет окислять фенолы до альдегидов, органических кислот, а в конечном итоге до углекислого газа и воды. Однако узким местом процесса является аппаратурное оформление узла смешения озона с водой. Большая разница удельного веса воды и воздуха приводит к их быстрому расслоению, большое поверхностное натяжение создает препятствия для мелкого диспергирования. Для успешного применения метода необходимо применять высокоинтенсивные контактные аппараты, обеспечивающие достаточно полное поглощение озона водой.
Цель работы: совершенствование технологии очистки воды от органических соединений на основе интенсификации смешения озона с обрабатываемой водой за счет использования гидродинамической кавитации.
В связи с этим были решены следующие задачи:
исследование влияния гидродинамической кавитации на основные показатели качества воды;
исследование влияния гидродинамической кавитации на процесс перемешивания двухфазных систем;
изучение влияния различных факторов на процесс очистки воды от фенола методом озонирования с использованием кавитации;
построение математической модели, адекватно описывающей процесс очистки воды, и ее' изучение;
получение оптимальных значений основных факторов, влияющих на процесс очистки;
исследование эффективности предложенной схемы очистки в реальных условиях;
оценка возможности биологической доочистки предварительно
V озонированных производственных сточных вод.
Научная новизна. Разработана установка для очистки воды, в которой для повышения эффективности процессов обезвреживания использован смеситель кавитационного типа. Установлен характер влияния определяющих факторов на степень очистки воды от фенолов. Найдены оптимальные условия проведения процесса.
Проведена оценка токсичности озонированной воды по отношению к микроорганизмам биофильтра в промышленных условиях.
Практическая ценность. Предложенная схема очистки и полученные результаты могут быть использованы для улучшения качества водо-
подготовки на водопроводных очистных сооружениях, а также в системах очистки производственных сточных вод химических, машиностроительных предприятий, ТЭЦ и других производств. Применение явления гидродинамической кавитации для интенсификации смешения двухфазных потоков может быть использовано для экономии дезинфекганта при его введении в обрабатываемую воду на водопроводных очистных сооружениях за счет более полной его абсорбции водой.
Результаты работы апробированы и приняты к внедрению на очистных сооружениях фанерного комбината «Красный якорь» г. Слободского, на водопроводной станции МП «Водоканал» г. Кирова. Предложенная схема смешения хлора с обрабатываемой водой внедрена на водопроводной станции МП «Водоканал» г. Кирова и позволила обеспечить экономию хлора при водоподготовке в среднем на 20%.
На защиту выносятся:
комплексный способ очистки воды от фенолов озонированием с использованием гидродинамической кавитации;
результаты исследований процесса очистки воды озонированием с использованием гидродинамической кавитации;
результаты исследований влияния обработанной озоном воды на микроорганизмы биофильтра;
результаты исследований по интенсификации процесса смешения хлора с водой за счет использования гидродинамической кавитации.
Достоверность полученных результатов подтверждается их статистическим анализом, совпадением результатов исследований с имеющимися литературными данными; обеспечивается использованием аппарата математической статистики для обработки экспериментальных данных и определения погрешностей опыта.
Апробация работы. Материалы работы докладывались на научно практической конференции «Космос и экология» (г. Киров, 1995); 4 и 5-ой научно-практической конференции «Региональные и муниципальные проблемы природопользования» (г.Кирово-Чепецк, 1996,1998); на «Международной конференции по озонированию и другим процессам окисления в воде и очистке сточных вод» (Берлин, 1997); на 10 Всероссийском совещании «Совершенствование технологии гальванических покрытий» (г.Киров, 1997); на региональной научно-технической конференции «Наука-производство-технология-экология» (г.Киров, 1998, 2000); на межрегиональной научной конференции «Химия на пути в XXI век» (г.Ухта, 2000).
Работа выполнена на кафедре промышленной экологии и безопасности Вятского государственного технического университета в рамках единого заказ-наряда и тематического плана Министерства образования Российской Федерации на 1997-2001 годы по теме «Очистка воды от загрязнителей методом озонирования с использованием кавитации», а также в рамках программы по выигранному гранту «Фундаментальные проблемы ох-
раны окружающей среды и экологии человека» на 1996-1997 годы по теме «Очистка сточных вод от фенолов и нефтепродуктов методом озонирования с использованием кавитации».
Публикации результатов. По материалам диссертации опубликовано 13 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 147 источников, приложений. Материал изложен на (ЭД страницах, содержит 5 9 рисунков и 1Ь таблиц.
Обзор существующих методов очистки сточных вод от фенолов
Фенольные сточные воды образуются на предприятиях ряда отраслей промышленности, например, деревообрабатывающей, лакокрасочной, нефтеперерабатывающей и нефтехимической, кожевенной и других.
Состав фенольных сточных вод зависит от характера производимой продукции, вида технологического процесса и норм технологического режима. Очистка промышленных стоков от фенолов осуществляется в несколько этапов. Сначала на фильтрах и в отстойниках осаждаются механические примеси. Затем фенолы извлекаются сорбентами, экстрагируются органическими растворителями и водяным паром. И, наконец, на этапе доочистки содержание фенолов доводится до норм ПДК [7].
Несмотря на многообразие методов обесфеноливания, все их можно объединить в две основные группы: регенерационные и деструктивные. Регенерационные методы предусматривают выделение и использование фенолов, однако, они не обеспечивают необходимую степень очистки, остаточная концентрация фенолов при очистке сточных вод этими методами составляет 100-1000 мг/л. Поэтому для доочистки таких вод применяют деструктивные методы, заключающиеся в переводе фенолов в нетоксические соединения путем их окисления, которое может быть осуществлено различными методами.
Способ очистки выбирают с учетом санитарных и технологических требований, предъявляемых к очищенной воде с целью дальнейшего ее использования, а так же с учетом количества воды и концентрации в ней загрязнений, наличии необходимых материальных и энергетических ресурсов и экономичности процесса.
К регенерационным можно отнести экстракционные, ректификационные, адсорбционные, ионообменные и др. методы.
Утилизация фенолов из сточных вод жидкостной экстракцией основана на различной растворимости фенолов в воде и ряде органических растворителей, поэтому эффективность этого метода очистки зависит, прежде всего, от применяемого экстрагента. Экстрагент должен иметь высокую растворяющую способность по отношению к фенолам, низкую стоимость, быть химически стойким при регенерации, нетоксичным, не вызывать образования эмульсий в процессе его использования.
Метод применяют для извлечения нелетучих фенолов. В качестве экстрагента используют обычно водный раствор (8-12%) гидроксида натрия, а в качестве растворителя - либо бензол (старый процесс Потта-Хилгенстока ), либо диизопропиловый эфир (процесс «Феносольван» фирмы «Lurgi») [2].
Известны и другие процессы извлечения фенолов методом экстракции, отличающиеся применяемым экстрагентом, например процесс «Метасольван», в котором в качестве экстрагента используют водный метанол; процесс «Фенораффин» фирмы «Lurgi»- экстрагент - водный раствор феноксида натрия. Среди большого числа исследованных экстрагентов наивысшей селективностью обладает водный раствор гидроксида натрия [2].
В качестве экстрагентов, кроме вышеперечисленных, применяются технические продукты: технический бензол, антраценовое масло, поглотительное масло, побочные продукты производства бутилового спирта [8, 9], эффективным растворителем является трибутилфосфат (ТБС) [10], толуольный раствор триоктиламиноксида [11]. Однако растворителя, удовлетворяющего всем предъявляемым требованиям, нет.
В процессе экстракции растворяемое вещество распределяется между сточной водой и экстрагентом до достижения равновесия, характеризуемого законом равновесного распределения, которое выражают через коэффициент распределения Кр = Сэ/Св, где Сэ и Св - концентрация растворенного вещества в экстрагенте и воде. Коэффициент распределения зависит от ряда факторов: температуры, присутствия примесей и др. Как правило, значения Кр фенола между органическими растворителями и водой невелики и не обеспечивают практически полного его перевода в экстракт [12].
Недостатками этого метода является то, что ни один из применяемых процессов не дает возможности достигнуть содержания фенолов в сточных водах менее 0,5 мг/л. Экстракционную очистку экономически целесообразно применять в случае значительных концентраций фенолов (не менее 2-4 г/л), или высокой стоимости извлекаемого вещества.
Для успешного применения экстракционного метода обесфеноливания, кроме тщательного подбора экстрагента, необходим контроль за содержанием примесей в сточной воде, подаваемой на очистку. На увеличение глубины экстракции влияет также выбор экстракционных аппаратов [8, 13, 14]. Аппараты, применяемые для экстракционной очистки, довольно громоздки, требуют специального оборудования и большого расхода электроэнергии.
Пароциркуляционный метод очистки пригоден для обесфеноливания сточных вод только от летучих фенолов и заключается в ректификации сточных вод в отгонной колонне с использованием циркулирующего водяного пара и последующей отмывке (абсорбцией) циркулирующего пара с помощью щелочи или других реагентов [15]. Эффективность десорбции фенола из воды определяется разницей равновесных концентраций его в паровой и жидкой фазах [9], а также зависит от присутствия других веществ. Например, аммиак затрудняет десорбцию фенолов [16].
Применение пароциркуляционного метода для очистки сточных вод от фенола требует предварительного удаления из воды аммиака, сероводорода и углекислого газа.
Недостатками метода являются также большие потери фенолов при отдувке аммиака, низкая степень извлечения нелетучих с паром фенолов (остаточное содержание фенолов в сточной воде - 150-200 мг/л), высокие эксплуатационные расходы. Применение метода возможно при относительно небольшом объеме очищаемой воды.
Адсорбционный метод обесфеноливания сточных вод основан на сорбции фенолов сорбентами и включает следующие основные стадии: подготовку сточной воды (отстой, фильтрация), сорбцию фенолов и регенерацию сорбента [17].
В качестве сорбентов могут применяться активированные угли, кокс, зола, шлаки [18, 19, 20]; синтетические неионогенные сорбенты (при содержании фенолов в исходной воде более 1000 мг/л) [21], пористые полимерные сорбенты [22, 23, 24, 25], отличающиеся высокой адсорбционной емкостью по отношению к фенолам, высокой стабильностью и стойкостью к истиранию. Адсорбентами могут служить также оксид алюминия, силикагель и цеолиты.
В процессе регенерации происходят десорбция и восстановление сорбци-онных свойств активированного угля. Для десорбции фенолов используют разбавленную щелочь, растворители (метанол, ацетон) или инертный газ в смеси с водяным паром. В случае использования растворителя фенол извлекают перегонкой; регенерация смесью инертный газ-пар вызывает необходимость последующего сжигания отработанного газа.
Недостатками метода является то, что его эффективность зависит от многих факторов - температуры системы, реакции среды, концентрации адсорбата, зависит от природы и структуры адсорбента и т.д. Схемы адсорбционной очистки включают в себя установки для регенерации адсорбента, что требует дополнительных расходов энергии, сырьевых затрат и оборудования.
Ионообменная очистка основана на процессе обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы-ионита [26].
Для удаления примесей из сточных вод предложены иониты: сульфока-тиониты и сильноосновные аниониты, аниониты Permutit ES, Amberlit 410; ка-тионит С-1; сильноосновной анионит Dowex-І; бифункциональный анионит LF (ёмкость 230 кг/м ), слабоосновной анионит Wofatit М (47,8 кг/м ), сульфо-уголь Esasbo (58,9 кг/м3) [26].
Для очистки сточных вод ионообменным способом необходимо поддерживать определенный солевой состав очищаемых сточных вод. Наличие в воде минеральных солей отражается на равновесии ионообменного процесса. Кроме того, наличие в сточных водах тонкодисперсных взвешенных частиц может приводить к заиливанию фильтрующего анионита.
Конструкции контактных аппаратов, применяемых для смешения озона с водой
Выбор метода и аппаратуры для смешения плохо растворимого газа озона с водой является самым актуальным вопросом в технологии очистки сточных вод озонированием.
Для смешения озона с водой в настоящее время применяют барботаж пористыми или перфорированными диффузорами, эжекцию, механическое перемешивание и другие методы.
Барботажные установки, используемые для смешения озона с обрабатываемой водой, наиболее распространены.
Контакт озона с водой в барботажных установках достигается благодаря мелкому распылению озоно-воздушной смеси в воде через пористые материалы. В этом случае контактные аппараты представляют собой наполненные водой резервуары, работающие по принципу противотока или прямотока, с нисходящим или восходящим движением фаз (рисунок 2.3 [40, 82, 85, 86, 87, 88, 89].
Озон вводят под избыточным давлением 0,05-0,1 МПа через пористые пластины или перфорированные трубы.
В процессе барботажа можно различить три последовательных этапа: образование пузырьков, подъем их в водной толще, выделение пузырьков с поверхности воды. На первом этапе происходит непрерывное увеличение и обновление поверхности контакта фаз и скорость абсорбции весьма значительна. На втором этапе диффузия озона в толщу воды зависит от диаметра пузырька, скорости его подъема и гидродинамических условий (суммарная поверхность фаз, время пребывания пузырьков в контактной камере, равномерность и интенсивность смешивания озоно-воздушной смеси с водой). Третий этап характеризуется абсорбцией непрореагировавшего озона в слое воздуха над поверхностью воды в контактной камере. Поскольку концентрация озона здесь мала, а поверхность контакта относительно невелика, абсорбция на этом этапе не имеет существенного значения [40].
В сравнительно ограниченный период времени практически невозможно обеспечить переход всего озона из пузырьков в воду. Поэтому часть озона бесполезно теряется на выходе из контактных камер.
Для улучшения процесса абсорбции и сокращения потерь озона необходимо уменьшить диаметр всплывающих пузырьков. Н.А.Матвеев [90], на основании широких экспериментальных исследований, предложил расчетную формулу для определения коэффициента поглощения озона.
Из формулы следует, что коэффициент поглощения озона возрастает:
1) с увеличением высоты контактной камеры, которую, однако, можно увеличивать лишь до определенного значения (5-6м) по конструктивным соображениям;
2) с уменьшением размера пузырька;
3) с увеличением скорости противотока воды (т.е. значения Q/FK), но при обязательном обеспечении равномерного распределения газовой фазы по сечению контактной камеры,
4) с понижением температуры.
С целью интенсификации процесса предлагались конструкции усовершенствованных контактных колонн с использованием различных эффективных распыливающих элементов [39, 82, 91, 92, 93, 94]. Однако при этом возрастало гидравлическое сопротивление движению газовой фазы.
Недостатками метода смешения озона с водой с помощью барботирования является то, что эффективность использования озона в аппаратах барботажного типа низка, а проскок непрореагировавшего газа достигает 20-30% [95, 96].
Следующей группой контактных аппаратов являются абсорберы с механическим перемешиванием, где озон распыляется в протекающую через смеситель воду при помощи быстро вращающегося ротора [40, 97]. Озоно-воздушая смесь подается под давлением от внешнего источника или вследствие разряжения, создаваемого диспергатром.
Названные аппараты отличаются заметным преимуществом (небольшие потери напора со стороны воды, возможность монтажа в имеющиеся бассейны или резервуары). Недостатком аппаратов являются как дополнительные расходы электроэнергии, так и трудность достижения полной герметичности и, в связи с этим, коррозия деталей мешалки.
По мнению многих исследователей [98], интенсивность барботажных колонн может быть увеличена за счет интенсивного перемешивания газа в условиях пониженного давления. Это может быть осуществлено путем использования в качестве смесителя эжектора [99, 100, 101, 102, 103].
В работе [103] сравнивалась степень абсорбции озона при смешении его с водой с использованием эжектора, прямоточного ситчатого аппарата, механического абсорбера, противоточной барботажной колонны. Наилучший эффект получили при использовании эжектора.
Среди тенденций развития смесительного оборудования все большее распространение находят идеи использования для интенсификации процессов смешения новых физических эффектов и явлений. Однако, из-за малой изученности, широкого применения в процессах очистки воды они пока не нашли.
В литературе имеются данные по интенсификации приготовления эмульсий с использованием явления гидродинамической кавитации [104, 105, 106, 107, 108, 109, 110]. Рассмотрев это явление, можно предположить эффективность его использования и для смешения озона с обрабатываемой водой.
Описание лабораторной экспериментальной установки и её основных узлов
Исследования проводились на установке, показанной на рисунках 3.5, 3.6. Согласно схеме, показанной на рисунке 3.5, основными узлами установки являются:
бак для приготовления исходной воды 1, объёмом 0,3 м3;
насос 2 шестеренчатый, марки НШ-10, с подачей 10 см /об, приводимый в действие электродвигателем со скоростью вращения 1410 об/мин;
кавитационный реактор 3;
озонаторная установка 4, состоящая из озонатора и кислородного баллона с редуктором;
дегазатор 6, представляющий собой прямоугольную колонну высотой 1,9 м, площадью сечения 0,09 м2;
трубопроводы из полипропилена марки PPRC («Рандом сополимер»), тип труб PN 10 (рассчитаны на номинальное давление 1,0 МПа) с наружным диаметром 16 мм, толщина стенки 1,8 мм;
запорная и контрольно-измерительная аппаратура.
Озонаторная установка
Технические данные установки.
1. Максимальная производительность по озону - 20 г/ч.
2. Параметры охлаждающей воды: расход -120 л/ч давление - 0,2 - 0,4 Мпа температура - не более 25С
3. Параметры газа (кислорода, воздуха): расход - до 1,2 м /ч влагосодержание - менее 0,055 10" кг/м содержание пыли - менее 4 мг/м
4. Максимальная концентрация озона на выходе - 35 мг/л.
5. Давление в озонаторе - 0,05-0,07 МПа.
6. Габариты 480x480x240 мм.
Принцип действия.
Синтез озона происходил в озонаторе. Поток кислорода, проходя через зазор, образованный коаксиальными трубчатыми электродами, подвергался воздействию электрического поля большой напряженности. Между электродами имеется диэлектрический барьер (стеклянная трубка), препятствующий дуговому разряду. В кольцевом пространстве между электродами горит разряд, называемый «тихим». При этом молекулы кислорода бомбардируются лавиной электронов, разогнанных до больших скоростей разностью потенциалов до 10 000 В. В результате кислород переходит в свою аллотропную форму - озон.
Эксплуатационные показатели озонаторной установки зависят от рабочих параметров: состава газа для синтеза озона, его исходной влажности, расхода, а также напряжения, частоты тока.
При использовании для синтеза озона воздуха оптимальная производительность генератора по озону составляет 1 - 1,5% (по весу) количества обработанного воздуха. До поступления в генератор воздух необходимо подвергнуть тщательной обработке, включающей обеспыливание, удаление масел, обезвоживание. Температура воздуха на входе в озонатор должна составлять около 20С.
При эксплуатации озонатора на чистом кислороде оптимальная производительность его по озону может быть увеличена до 2% (по весу) количества проходящего через электроды газа. Поэтому при для синтеза озона при работе генератора использовался кислород.
Изменяя расход кислорода или частоту питающего озонатор напряжения, можно регулировать концентрацию озона на выходе.
Синтез озона - процесс экзотермический, вызывающий повышение температуры в зоне разряда. При этом равновесная концентрация озона падает. Поэтому в конструкции озонатора предусмотрено водяное охлаждение зоны разряда.
Принципиальная технологическая схема озонаторнои установки показана на рисунке 3.7. Технологическая схема озонаторнои установки предусматривает питание установки как от сети сжатого воздуха, так и от кислородного баллона. Согласно схеме, сжатый воздух давлением 0,4 - 0,63 МПа подавался в блок по очистке и осушке воздуха 2, а затем в штуцер установки. Кислород подавался от кислородного баллона, давление кислорода регистрировалось при помощи редуктора. Для правильной эксплуатации установки необходимо знать расход воздуха (кислорода), идущего на синтез. Расход воздуха регулировался вентилем 1, а расход кислорода - редуктором кислородного баллона 4. Контролировался расход воздуха (кислорода) ротаметром 6. Полученная озоно-воздушная (озоно-кислородная) смесь выводилась через штуцер «Выход озона» к потребителю.
Вода для охлаждения озонатора проходила от водяной магистрали (водопровода) через регулирующий вентиль 8 в озонатор 11 и направлялась на слив.
Озонаторная установка смонтирована в металлическом ящике 1, рисунок 3.8. Общий вид озонаторнои установки показан на рисунке 3.9. На передней панели находятся элементы управления и контроля за работой установки.
Электропитание установки осуществлялось от сети переменного тока напряжением 380 В, частотой 50 Гц.
Для регулирования расхода озоно-кислородной смеси и концентрации озона в ней был предусмотрен щит, состоящий из ротаметров (ротаметр озоно-кислородной смеси и ротаметр кислорода), рисунок 3.10.
Кавитационный реактор.
Основой повышения эффективности процесса водоочистки, как отмечалось ранее, является интенсификация перемешивания воды и реагентов за счет гидродинамической кавитации, модулируемой в гидродинамическом аппарате.
Корпус кавитационного смесителя был изготовлен из нержавеющей стали
марки 1Х18Н9Т. Для наблюдения за зоной кавитации крышка кавитационного реактора была выполнена из оргстекла. Рабочая камера кавитационного реактора показана на рисунке 3.2.
На рисунке 3.11 показан общий вид кавитационного смесителя. Согласно рисунку 3.2, рабочая камера кавитационного смесителя представляет собой прямоугольную рамку с размерами 220 х 7 х 3,5 мм. Сверху камера закрыта прозрачной крышкой из оргстекла 2, на которую нанесена прозрачная сетка для измерения длины зоны кавитации. Для создания кавитации в рабочей камере под прямым углом к оси установлен возбудитель кавитации 3, представляющий собой цилиндр с гладкой поверхностью.
Штуцер ввода озона 4 находится за возбудителем кавитации для того, чтобы озоно-кислородная смесь подавалась в зону кавитации.
Давление в рабочей камере замеряются до и после возбудителя кавитации (штуцеры присоединения манометров 5 и 6) при помощи манометров с пределом измерения 6 и 1,6 кгс/см.
Исследование процесса очистки промышленных сточных вод фанерного комбината "Красный якорь" г. Слободского
Для подтверждения ранее полученных результатов (глава 4) по эффективности очистки воды от фенола озонированием с использованием гидродинамической кавитации для интенсификации перемешивания двухфазных потоков, были проведены эксперименты в реальных условиях со сточными водами фанерного комбината «Красный якорь» г.Слободского. Была разработана и испытана опытная система очистки промстоков. Основанием для разработки послужил сверхнормативный сброс в р.Вятку фенола, нефтепродуктов и взвешенных веществ.
Сточные воды комбината характеризуются повышенным содержанием фенолов, нефтепродуктов, СПАВ и других загрязняющих веществ.
Повышенные концентрации фенолов обусловлены в основном поступлением производственных сточных вод от бассейнов гидротермической обработки древесины, где концентрации фенолов достигают 4,75 - 11,5 мг/л. Производственные сточные воды комбината перед поступлением на очистные сооружения смешиваются со сточными водами различных цехов и с бытовыми сточными водами комбината, поэтому концентрации фенолов уменьшаются за счет разбавления. Тем не менее, их концентрации перед поступлением на очистные сооружения комбината в 100 - 200 раз превышают предельно допустимые.
Очистные сооружения комбината, которые состоят из первичных отстойников, биофильтра и вторичных отстойников, не обеспечивают на выходе стоков требуемых концентраций загрязняющих веществ. Концентрации фенолов после очистных сооружений превышают допустимые в 5-50 раз. Концентрации нефтепродуктов и осдочных водах комбината после очистных сооружений в 10-15 раз превышают предельно допустимые. Поэтому одновременно осуществлялась очистка сточных вод от нефтепродуктов. Задачами экспериментальных исследований являлись:
1. Разработка системы очистки промстоков.
2. Оценка целесообразности озонирования сточных вод для их очистки от фенола и нефтепродуктов.
3. Подтверждение эффективности очистки с соблюдением условий, полученных исследованиями, проведенными на лабораторной экспериментальной установке (глава 4).
3. Оценка степени токсичности озонированных вод по отношению к микроорганизмам биофильтра (для установления возможности доочистки воды на биофильтре после озонирования).
Параллельно в ходе экспериментов определялся бактерицидный эффект озонирования.
Описание экспериментальной установки
Согласно проведенным ранее лабораторным исследованиям (глава 4 и глава 5) и анализу реальных условий проведения испытаний, была разработана и смонтирована экспериментальная установка. Установка была смонтирована в схему существующих очистных сооружения комбината.
Согласно схеме установки, показанной на рисунке 5.1, сточные воды подавались насосом 2 из накопителя 1 (первичного отстойника) в кавитационный смеситель 3, где происходило их соединение с озоно-кислородной смесью, поступавшей от озонатора 5. Далее двухфазный поток направлялся в змеевик 4, где по мере перемещения потока осуществлялось взаимодействие озона с загрязнениями сточных вод. В дегазаторе 6 происходило разделение жидкой и газовой фаз. Затем стоки подавались на биофильтр 7 и вторичный отстойник 8.
Результаты экспериментальных исследований.
Первоначально были проведены пробные экспериментальные исследования, позволяющие судить об общей эффективности процесса очистки и о характере влияния на него различных параметров (газосодержания и удельною количества озона). Исследуемые производственные сточные воды - содержали фенолы (в концентрациях 0,3 - 0,7 мг/дм"), нефтепродукты (в концентрациях 1,15 - 2,7 мг/дм ) и другие загрязняющие вещества.
При проведении экспериментов устанавливались следующие основные параметры процесса очистки:
расход сточных вод 0,7 дм7с
давление на входе в кавитационный смеситель -0,29 МП а,
давление на выходе из кавитационного смесителя - 0,08МПа,
давление озоно - кислородной смеси в озонаторе - 1,0 атм,
концентрация озона на входе в кавитационный смеситель 17,5 - 57 мг/л, время контакта озоно - кислородной смеси со сточными водами 10 -15 мин.
Результаты предварительных исследований представлены в таблице 5.1.
Графически результаты исследований представлены на рисунках 5.2 - 5.5.
На рисунке 5.3 представлена зависимость степени деструкции фенола от газосодержания. При увеличении газасодержания степень деструкции увеличивается и достигает своего максимального значения - 93% - при газосодержании, равном 0,36.
На рисунке 5.2 представлена зависимость степени деструкции фенола от удельного количества озона. Увеличение удельного количества озона ведет к увеличению степени деструкции (максимальная степень деструкции - 93% -наблюдается при удельном расходе озона 10,7). Однако слишком высокие дозы вводимого озона увеличивают расходы на проведение процесса очистки. Возможно несколько снизить расходы озона на процесс очистки, увеличивая газосодержание очищаемой воды.
На рисунках 5.4 - 5.5 представлены зависимости степени деструкции нефтепродуктов от газосодержания и удельного количества озона. Прослеживается такая же зависимость, как и при деструкции фенолов. Максимальная степень деструкции - 75% - достигнута при газосодержании 0,36 и удельном количестве озона - 2,79.
Таким образом, анализируя результаты предварительных экспериментов, можно сделать вывод о том, что степень очистки воды как от фенола, так и от нефтепродуктов увеличивается с увеличением удельного расхода озона и с увеличением газосодержания. Это подтверждает полученные ранее результаты. Большие удельные дозы озона объясняются тем, что в производственных сточных водах одновременно присутствуют различные загрязняющие вещества, т.е. озон расходуется на окисление и этих веществ.
Таким образом, при увеличении газосодержания степень очистки воды от этих загрязняющих веществ может быть увеличена.
Затем были проведены экспериментальные исследования, в которых значения основных факторов, влияющих на процесс очистки, были выдержаны на оптимальном уровне (который был получен при обработке трехфакторного эксперимента при крутом восхождении по поверхности отклика), а именно:
Газосодержание (QOKC/QCB) 0,65
Удельное количество озона (С03/Сф) 3,15 мг/мг.
Исследовалась вода от бассейнов термической обработки древесины, содержащая в основном фенолы и другие органические соединения.
Для сравнения результатов также были проведены опыты, где газосодержание и удельное количество озона было взято на нижнем, основном и верхнем уровнях, согласно значениям, принятым при проведении трехфакторного эксперимента (глава 4, таблица 4.10).