Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Очистка стоков промышленных предприятий от твердых взвесей методом фильтрации

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Шарафутдинова, Анастасия Валерьевна, Казань

■гу*} и и _ 4 Л —

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КАЗАНСК ИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ШАРАФУТДИНОВА АНАСТАСИЯ ВАЛЕРЬЕВНА

ОЧИСТКА СТОКОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ОТ ТВЕРДЫХ ВЗВЕСЕЙ МЕТОДОМ ФИЛЬТРАЦИИ: ФИЗИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

11.00.11 — Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук

профессор Н.А.Николаев

Казань - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр

Список обозначений..............................................4

Введение.......................................................7

Глава 1. Литературный обзор.......................................9

Глава 2. Разделение промышленных стоков фильтрованием на осадок и фильтрат.......................................................34

2.1. Математическая модель процесса разделения суспензии на осадок и фильтрат в фильтровальных аппаратах.....................38

2.2. Экспериментальное определение зависимости пористости осадка от сжимающего напряжения................................45

2.3. Экспериментальное определение зависимости проницаемости, осадка от пористости......................................50

2.4. Экспериментальное определение коэффициента межфазового взаимодействия в суспензии................................57

2.5. Решение задачи разделения суспензии фильтрованием........61

2.6. Расчет производительности аппаратов фильтрационного разделения суспензий............................................78

Глава 3. Продувка воздухом насыщенного жидкостью осадка...........86

3.1. Математическая модель процесса продувки воздухом насыщенного жидкостью осадка.......................................87

3.2. Определение параметров математической модели процесса продувки воздухом насыщенного жидкостью осадка...............94

3.3. Решение задачи определения влажности осадка в процессе его продувки воздухом.........................................99

Глава 4. Промывка осадков........................................110

4.1. Математическая модель процесса промывки осадков.........113

4.2. Решение задачи промывки осадка.........................119

4.3. Определение параметров математической модели процесса промывки осадка и численные расчеты.........................127

Выводы.....................................................140

Список литературы............................................142

Заключение об использовании результатов диссертационной работы .149

Список обозначений

Ь - толщина слоя осадка, м; 5 - толщина слоя суспензии, м; х - координата, м; £ - безразмерная координата; I - время, с;

т] - вязкость суспензии, Па с; ц - вязкость жидкости, Па с; Р - давление в жидкости, Па; Ра. атмосферное давление, Па;

Р* - давление на границе раздела суспензия - осадок, Па; УР - градиент давления, Па/м;

а - угол наклона силы тяжести к направлению течения; и - скорость суспензии, м/с;

С - объемная концентрация твердой фазы в суспензии;

Рь р - истинные плотности твердых частиц и жидкости, кг/м3;

V, VI - объемные расходы жидкой и твердой фаз в суспензии через единицу

площади, м/с;

Уист, У,ист - истинные скорости жидкой и твердой фаз в суспензии, м/с; £ - коэффициент межфазового взаимодействия между твердой и жидкой фазами в суспензии, кг/(м с); % - ускорение свободного падения, м/с2; сухх - эффективное напряжение в твердой фазе осадка, Па; а - безразмерное напряжение;

а0 - безразмерное напряжение на фильтровальной сетке;

- объемные расходы жидкой и твердой фаз в осадке через единицу площади - скорость фильтрации), м/с; к - проницаемость осадка, м2;

\¥ист, W1ИCT - истинные скорости жидкой и твердой фаз в осадке, м/с; ш - пористость осадка;

<ш> - средняя, по толщине, пористость осадка;

Угр - скорость движения границы раздела суспензия - осадок, м/с;

¥ - площадь фильтровальной сетки, м2;

Упор - объем пор в осадке, м3;

и - скорость движения пластины, м/с;

Ъ, г - оси цилиндрической системы координат, м;

со - угловая скорость вращения барабана, 1/с;

Я - радиус барабана, м;

Н - ширина барабана, м;

(р1 - угол определяющий какая часть барабана помещена в суспензию; п - число оборотов в минуту, об/мин;

М] - масса твердой фазы снимаемой с барабанного вакуум - фильтра за час его работы, кг;

8ь Бг - насыщенность осадка воздухом и жидкостью соответственно; 8 = 81- насыщенность осадка воздухом;

оО

8 - остаточная насыщенность осадка воздухом; 8ф - фронтовая насыщенность;

Ко - абсолютная проницаемость осадка, взятая по жидкости, м2;

Кь К2 - фазовые проницаемости по воздуху и жидкости соответственно;

Р - влажность осадка;

8* - начальная насыщенность осадка воздухом; то - транспортная пористость; Дт - застойная пористость;

С1 - объемная концентрация фильтрата в транспортных порах; С2 - объемная концентрация фильтрата в застойных порах; М - масса промывочной жидкости, кг; М1 - масса твердой фазы в аппарате, кг.

Специальные обозначения

Индекс * означает, что соответствующие величины взяты на границе раздела суспензия - осадок.

Смесь 1 представляет собой водную суспензию твердая фаза которой состоит из волокнистой целлюлозы помола 40° ШР (длина волокон порядка 2-10"3 м).

Смесь 2 представляет собой водную суспензию твердая фаза которой на 30% состоит из волокнистой целлюлозы помола 40° ШР, а на 70% состоит из порошковой целлюлозы (размер частиц 2'10"4 - 5-10"4 м).

Введение

Объем производимой развитыми странами промышленной продукции удваивается каждые 15 лет и, соответственно, увеличивается количество отходов производства и потребления, загрязняющих окружающую природную среду. Очистка сточных вод во все времена является проблемой чрезвычайной важности. По данным различных авторов [1-4] 30% загрязнений приходится на хозяйственно - фекальные, а 70% на промышленные сточные воды.

Большинство промышленных предприятий являются потребителями воды, которая используется для технологических целей и непосредственно участвует в производственных операциях. Загрязнителями производственных сточных вод являются отходы и потери производства.

Так, например, сточные воды пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности содержат органические вещества, которые, попадая в водоемы, загнивают, губительно действуя на все живое, а, например, сточные воды металлургических, нефтеперерабатывающих, химических и других предприятий содержат токсичные вещества, которые, попадая в водоемы, также отравляют все живое в них.

Промышленные сточные воды меняются по количеству и составу от завода к заводу, от цеха к цеху, от производства к производству. Загрязненность этих вод может колебаться в очень широких пределах. Кроме того, характер сточных вод изменяется вместе с изменением процесса производства.

Таким образом нецелесообразно собирать сточные воды всех цехов завода в одно очистное сооружение и далее очищать эти воды от всех вредных веществ. Более продуктивным является создание компактных аппаратов, которые очищают сточные воды отдельных цехов от той или иной примеси.

Одним из наиболее эффективных способов очистки сточных вод от механических примесей является фильтрационное разделение этих вод на осадок и жидкость.

Поэтому модернизация существующих производств с внедрением в них эффективных и компактных фильтрационных аппаратов очищающих сточные воды, с целью сокращения выброса механических примесей в окружающую среду, является проблемой весьма актуальной.

Дальнейшее совершенствование технологии очистки сточных вод, повышение ее эффективности, успешное решение задач контроля и управления процессами очистки невозможно без правильного понимания взаимосвязанных явлений механического взаимодействия твердой фазы и жидкости в суспензии и осадке, без детального изучения процесса на основе физического и математического моделирования, что и определяет актуальность темы диссертации.

Глава 1. Литературный обзор.

Ввиду большого разнообразия состава сточных вод различных конкретных промышленных предприятий и загрязнений, встречающихся в этих водах, остановимся лишь на описании некоторых из этих производств, процессы очистки сточных вод которых могут рассчитываться с помощью моделей, разработанных в данной диссертации.

В технологических процессах обогатительных предприятий черной и цветной металлургии участвуют значительные массы воды, используемой для разделения различных по удельному весу составных частей обогащаемой РУДЫ [5].

Основными загрязнителями сточных вод являются механические примеси, представляющие собой пустую породу. Вместе с ней уносится значительное количество (до 30%) чистой руды.

При разливе чугуна на металлургических предприятиях, наполненные расплавленным чугуном мульды движутся по конвейеру и одновременно поливаются тонкими струйками воды. Основными загрязнителями сточных вод от разливочных машин являются окалины, известь и ее примеси, а также некоторое количество случайных загрязнений, попадающих в отводящие каналы [4].

В прокатных цехах вода расходуется на охлаждение валков и подшипников прокатных станов, на смывание и транспортировку окалины.

Сточные воды прокатных станов в основном загрязнены окалиной и маслом.

На коксохимических заводах кокс получается после отгонки летучих веществ из каменного угля при нагревании его без доступа воздуха. На подготовительном этапе уголь промывается и далее происходит выжиг и гашение кокса, переработка коксового газа с извлечением из него смолы, аммиака, бензола и других продуктов разгонки.

Сточные воды таких заводов загрязнены преимущественно механическими примесями, такими как угольная пыль, масла, легкие и тяжелые смолы.

На нефтепромыслах в процессе бурения и эксплуатации нефтяных скважин вода расходуется на приготовление глинистого раствора и на периодическую обмывку рабочих площадок. Сточные воды в этих случаях загрязнены главным образом нерастворимыми минеральными примесями, в том числе глинистыми частицами [6,7].

Остановимся подробнее на производствах, у которых в сточных водах в качестве механических примесей присутствуют, так называемые, волокнистые материалы.

При производстве вискозного волокна исходным материалом служит древесная целлюлоза, которую обрабатывают раствором едкого натра и получают так называемую алкалицеллюлозу. После измельчения и дозревания алкалицеллюлоза подвергается обработке сероуглеродом (сульфидирование), в результате которой образуется новое соединение - ксантогент целлюлозы. Его растворяют в слабой щелочи; при этом образуется вязкий и тягучий раствор - вискоза. В результате этих операций в сточные воды поступает значительное количество вискозы.

На древесно-массных заводах вырабатывается белая и бурая массы. В зависимости от этого применяются различные методы ее получения. Исходным материалом в обоих случаях служит древесина. При производстве белой древесной массы окоренный баланс подвергается дефибрированию, заключающемуся в разделении древесины на волокна путем истирания ее на зернистом камне. Основная масса сточных вод на древесно-массных заводах образуется при измельчении древесины и при сгущении массы. В сточных водах присутствует значительное количество (8-12%) высококачественного мелкого волокна [4,8].

Сульфитная целлюлоза получается на сульфатцеллюлозных заводах в результате варки древесной целлюлозы с раствором сернистого газа и бисульфата кальция.

Сточные воды из промышленных аппаратов содержат серную и сернистую кислоты и волокна целлюлозы.

Сульфатная целлюлоза получается на сульфатцеллюлозных заводах в результате варки древесины с раствором едкого натрия и серного натрия. В сточных водах присутствует в виде механических примесей и целлюлоза.

На гидролизных заводах исходным сырьем служат древесные отходы (опилки, стружка и щепа) и растительные отходы сельского хозяйства (хлопковая шелуха, подсолнечная лузга и т.д.). На этих заводах получают этиловый спирт, дрожжи и фурфурол. В сточных водах этих производств присутствует нерастворимая примесь - лигнин.

В текстильной промышленности изделия вырабатываются из растительного, животного и химического волокна. Сточные воды текстильной промышленности содержат большое количество волокнистых материалов.

На заводах по производству бумаги высокое содержание взвешенных веществ в сточных водах - следствие неизбежных промоев волокна и наполнителей, входящих в композицию бумаги.

Количество этих веществ в отходящих водах различно и зависит от вида вырабатываемой бумаги, ее композиции, степени помола волокна, содержания наполнителей, конструктивных особенностей бумагоделательной машины и режимов ее работы. Общее количество волокна, содержащегося в отходящих от машины водах при выработке бумаги из целлюлозы без наполнителей, составляет 5-10% и более от поступающего на сетку волокна.

Особенностью сточных вод этих производств является то, что волокна, попадая в водоемы, в анаэробных условиях загнивают, выделяя углекислый газ, метан, а белковые соединения разлагаются с выделением сероводорода. На разложение волокон расходуется растворенный в воде кислород.

Продукты гниения волокна придают воде неприятный вкус, отравляют атмосферный воздух, губительно действуют на все живое [7].

Во всех промышленных производствах в числе загрязнителей стоков могут находится ценные примеси, являющиеся потерями производства. Путем извлечения и утилизации таких примесей, как правило, дает, во-первых, снижение степени загрязненности сточных вод, что облегчает и удешевляет ее последующую очистку, во-вторых, регенерация данных веществ позволяет получить непосредственный экономический эффект за счет возврата в производственный цикл ценного вещества или получить новый ценный продукт.

В зависимости от вида промышленности и технологии производства ценные вещества могут извлекаться или непосредственно в цехах при выходе сточных вод из технологических аппаратов, или на локальных цеховых установках, реже это производится на общих очистных сооружениях. При прочих равных условиях очистка небольшого объема концентрированного стока, как правило, обходится дешевле, чем очистка больших объемов разбавленных сточных вод.

Все это говорит о том, что при внутрицеховой очистке больше возможности извлечь ценные примеси и возвратить воду в производство.

Для целлюлозно-бумажной промышленности это наиболее характерно. Так, извлечение из сточных вод волокон целлюлозы и возврат их в производство позволяет экономить до 10% и более исходного сырья.

Лигнин, извлекаемый из сточных вод сульфатцеллюлозного производства, используется при получении формальдегидных смол, используемых для склейки фанеры. Лигнин также используется как реагент при бурении нефтяных скважин, как пластификатор цементных растворов и в качестве активного наполнителя при производстве тарного наполнителя.

Выбор метода очистки стоков зависит прежде всего от физического состояния содержащихся в них загрязнений. Принято считать всякую сточную воду, загрязненную какими-либо примесями, многофазной системой, в которой вода представляет собой внешнюю фазу или дисперсионную среду,

а распределенное в ней вещество - внутреннюю или дисперсную фазу. Фазой называется однородная часть неоднородной системы, ограниченная поверхностью раздела [3,4].

По данным различных авторов [9-16], сточные воды по степени дисперсности внутренней фазы можно классифицировать следующим образом:

Если в сточных водах частица имеет диаметр меньше 10"9 м, то такие системы по своим свойствам приближаются к истинным растворам. Поскольку в любой точке объема истинного раствора концентрация вещества одинакова, растворы называются однородными или гомогенными системами.

7 9

Частицы, имеющие степень дисперсности 10-10 м, образуют коллоидные растворы.

«ч

При крупности частиц больше 10" м дисперсная фаза образует взвешенные вещества. Частица такой крупности имеют характер механических примесей к воде. Взвешенные вещества в химических анализах фигурируют под несколькими названиями: суспендированные вещества, механические примеси, нерастворенные примеси (вещества) и т.д.

К основным свойствам взвешенных частиц (механических примесей) относится их неспособность удерживаться во взвешенном состоянии. Относительно крупные частицы быстро оседают или всплывают под действием гравитационных сил. При этом сила ударов молекул жидкости по таким частицам, обусловленная броуновским движением, практически ничтожна по сравнению с гравитационными силами. Однако, чем меньше размер частиц, тем больше влияние броуновского движения.

Таким образом, определяющую роль при выборе метода очистки производственных сточных вод играет физическое состояние содержащихся в них загрязнений. Все методы очистки могут быть подразделены на три основных вида: механическую, физико-химическую и биохимическую очистку.

Если размер частиц в сточных водах превышает 10"6 м, то частицы имеют характер механических п