Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Повышение эффективности очистки сточных вод разработкой аппаратных схем электрофлотационных установок оборотного водопользования

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

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности очистки сточных вод разработкой аппаратных схем электрофлотационных установок оборотного водопользования"

■'О

го

>

• V!

На правах рукописи

Сандаков Сергей Аркадьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД РАЗРАБОТКОЙ АППАРАТНЫХ СХЕМ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННЫХ УСТАНОВОК ОБОРОТНОГО ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

Специальность 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург 1998

Работа выполнена на кафедре "Гидромеханика и теплотехника" Оренбургского государственного университета.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты :

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор В.А. Бондаренко

доктор технических наук, профессор Р.Т. Абдрашитов кандидат сельскохозяйственных наук, Т.А. Гамм

Волго-Уральский научно-исследовательский и проектный институт газовой промышленности

Зашита состоится 08 декабря 1998 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета К 064.64.02 в Оренбургском государственном университете по адресу: 460352, г. Оренбург, проспект Победы, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Оренбургского государственного университета.

Автореферат разослан 5 ноября 1998 года

Ученый секретарь диссертационного

Совета, доктор географических наук O.K. Рычко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Задачи рационального использования природных ресурсов диктуют необходимость в создании эффективных технологических решений и новых аппаратных схем в решении вопросов высокоэффективной очистки сточных вод.

Развитие методов электрообработки сточных вод в совокупности с низкими удельными затратами на их очистку делают перспективным создание систем повторного использования очищенной воды (оборотное водопользование) в технологическом цикле предприятий на базе прогрессивных аппаратных схем электрофлотационных установок (ЭФУ).

Основы метода электрообработки сточных вод систем оборотного водопользования были заложены в работах C.B. Яковлева, Л.А. Куль-ского, Б.М. Матова и A.A. Мамакова.

Развитие этот метод обработки воды получил в трудах: А.И. Мац-нева, В.М. Рогова, Г.В. Иванова, Ю.А. Феофанова, В.Д. Юшенко, М.М. Назаряна, В.В. Пушкарева, В.Т. Ефимова, И.Г. Краснобородько, В.Д. Назарова, И.Л. Мархасина и других исследователей.

В тоже время, процессы, протекающие в ЭФУ гидродинамического типа с объемными электродами, создающими неоднородное электрическое поле, практически не исследовались, что затрудняет их расчет и проектирование.

К неисследованным процессам также относится вопрос о газонаполнении активной зоны канала (электродного блока) ЭФУ с неоднородностью электрического поля. Значимость этого процесса состоит в том, что увеличение газонаполнения в объеме жидкости, с одной стороны, благоприятно влияет на повышение качества очистки сточных вод, а с другой стороны - отрицательно сказывается на энергетических затратах, так как пузырьки неэлектропроводных элек-

гролизных газов (в основном, водорода), увеличивают электрическое сопротивление обрабатываемой в ЭФУ жидкости.

Целью данной работы является исследование и разработка новых аппаратных схем и конструктивных решений ЭФУ гидродинамического типа и методов их расчета для интенсификации процесса очистки сточных вод систем оборотного водопользования (СОВП) за счет организации оптимального газовыделения на электродах и в объеме обрабатываемой жидкости.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

-расчет газонаполнения активной зоны канала ЭФУ с плоскопараллельным расположением электродов;

-экспериментальное исследование гидродинамических характеристик ЭФУ с плоскопараллельным расположением электродов;

-исследование гидродинамических особенностей канала ЭФУ с суспендированными (объемными) электродами;

-создание методики расчета интегральных характеристик ЭФУ для трехфазного потока жидкости;

-разработка эффективных аппаратных схем и конструкций ЭФУ для очистки сточных вод систем оборотного водопользования.

Методы выполнения исследований. Диссертационная работа содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований. Теоретические решения выполнены с применением уравнений прикладной гидродинамики, механики гетерогенных сред и теории колебаний. Экспериментальные исследования выполнены с использованием физико-химического анализа воды стандартными методами. Научная новизна работы и ее значимость состоят в том, что: ' -решена задача расчета газонаполнения активной зоны канала ЭФУ с плоскопараллельным расположением электродов и экспериментально исследованы его гидродинамические характеристики;

-создана методика расчета интегральных характеристик ЭФУ с суспендированными (объемными) электродами, создающими неоднородное электрическое поле, на основе осредненных гидравлических уравнений движения пузырькового потока с неоднородно распределенными по сечению параметрами потока;

-выведены уравнения для нахождения отрывного радиуса электролизных пузырьков и показана связь между их размерами и степенью газонаполнения активной зоны канала ЭФУ;

-разработаны новые аппаратные схемы и конструкции ЭФУ гидродинамического типа для очистки сточных вод, признанные ВНИИ Государственной патентной экспертизы изобретениями.

Практическая значимость работы заключается в следующем: -создана методика расчета гидродинамических и конструктивных параметров, используемая при проектировании ЭФУ с различными типами электродных систем;

-аппаратно разработана и предложена конструкция ЭФУ с суспендированными (объемными) электродами;

-конструктивно решена и предложена аппаратная схема ЭФУ с электродами на упругих связях;

-предложена аппаратная схема и рассчитана ЭФУ с электродами в форме винтовой поверхности.

Разработанные нами аппаратные схемы ЭФУ были приняты к внедрению на Ириклинской ГРЭС, Сакмарской ТЭЦ, в автоколоннах № 1175 и 1825 г.Оренбурга, на ПО "Инвертор" и др. Методы решения по газонаполнению активной зоны и конструктивные решения ЭФУ внедрены в учебный процесс Оренбургского государственного университета на уровне выполнения студенческих научно-исследовательских работ и лабораторных работ по циклу «Процессы и аппараты технологии обработки воды».

Основные положения, выносимые на защиту.

-математическая модель процесса электрофлотации, учитывающая газонаполнение активной зоны канала ЭФУ с плоскопараллельным расположением электродов, уточняет конструктивные габариты электродного блока;

-методика расчета интегральных характеристик ЭФУ с суспендированными (объемными) электродами, создающими неоднородное электрическое поле, определяющая параметры ЭФУ, позволяет достичь адекватность ее реальному процессу очистки сточных вод;

-методики расчета ЭФУ с электродами в форме винтовой поверхности и на упругих связях, определяющие энергетические параметры ЭФУ, позволяют выполнить расчет электродных блоков;

-конструктивные разработки эффективных аппаратных схем ЭФУ, позволяющие снизить энергетические затраты на очистку сточных вод на 25 — 30 %, повышают эффективность очистки.

Апробация работы. Содержание диссертационной работы и отдельных ее разделов докладывались: на семинарах кафедры "Гидромеханика и теплотехника" Оренбург, гос. университета (ОГУ, Оренбург, 1980-1998гг); на научно-практических конференциях Ленинградского инженерно-строительного института "Исследования в области водоснабжения"(Ленинград, 1983-1989гг); на 2-м Уральском научно-координационном совещании по охране и рациональному использованию подземных вод Урала и сопредельных регионов (Свердловск, 1986г.); на 9-ой Всесоюзной межвузовской конференции по электрохимической технологии "Гальванотехника -87" (Казань, 1987г.); на конференции молодых ученых по проблеме "Молодые ученые и специалисты- народному хозяйству" (Оренбург, 1989г.); на 3-й Республиканской научно-технической конференции "Замкнутые технологические системы водопользования и утилизации осадков сточных вод в промышленности» (Кишинев, 1990г.); на ежегодных научно-

технических конференциях преподавателей, сотрудников и студентов ОГУ (Оренбург, 1980-1998гг.); на Российской научно-практической конференции "Природопользование - 98" (Оренбург, 1998г.), на региональной научно-практической конференции «Современные технологии в энергетике, электронике и информатике» (Оренбург, 1998г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе получено три авторских свидетельства на изобретения.

Струю-ура и объем диссертации. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 41 рисунок, 18 таблиц, список литературы из 149 наименований и 8 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована цель и задачи работы, ее актуальность, научная новизна, отмечено экологическое значение использования очищенных сточных вод в СОВП промышленных предприятий.

В первой главе (Обзор эффективности очистки сточных вод промышленных предприятий методом электрофлотации) на основе анализа состояния вопроса по литературным данным обосновано выбранное направление исследований.

Показано, что из всего многообразия технологических схем очистки сточных вод технологически и экологически целесообразно использование метода, основанного на электролизе воды- электрофлотации, а применительно к нефтесодержащим стокам теплоэнергетических станций и автопредприятий - аппаратных схем ЭФУ с суспендированными электродами, для извлечения ионов тяжелых металлов из хромосодержаших сточных вод предприятий металлообработки- ЭФУ с электродами на упругих связях.

Представлен анализ уровня развития теории электрофлотации как эффективного способа очистки сточных вод и приводятся сведения по

интенсификации процесса очистки сточных вод электрофлотацией. Показано, что неоднородность электрического поля, создаваемая за счет изменения профиля электродов электродного блока ЭФУ, позволяет интенсифицировать процессы очистки природных и сточных вод.

Исследованию закономерностей процесса электрофлотоочистки, разработке более эффективных аппаратных схем и установок электрофлотации, обеспечивающих наибольшую эффективность извлечения нефтепродуктов и взвешенных веществ при одновременном снижении энергозатрат на обработку воды, а также разработке методов расчета ЭФУ с суспендированными (объемными) электродами, с электродами на упругих связях и в форме винтовой поверхности посвящена настоящая работа.

Во второй (Исследование параметров ЭФУ гидродинамического типа с плоскопараллельным расположением электродов) и третьей (Разработка и исследование рабочих параметров эффективных аппаратных схем ЭФУ с суспендированными электродами) главах изложены вопросы по исследованию гидродинамических характеристик пузырькового потока и разработке эффективных аппаратных схем ЭФУ гидродинамического типа для очистки сточных вод СОВП промышленных предприятий.

Имеющиеся сведения по расчету газонаполнения получены в условиях, отличных от ожидаемых режимов, поэтому не учитывают целый ряд факторов, определяющих величину газосодержания. В связи с чем рекомендуемые формулы можно использовать лишь в качестве грубых оценок, что приводит к значительной погрешности расчета конструктивных и энергетических параметров ЭФУ.

Рассмотрим расчет электродного блока (элементарной ячейки) ЭФУ, представляющий вертикальный канал с подачей раствора снизу-вверх и снабженный пассивными плоскопараллельными электродами (рис. 1а).

При условии 21« Ъ и 21« где Ь и Ь - соответственно ширина и высота электродного блока, можно пренебречь участком стабилизации течения, на котором происходит формирование пузырьковых пограничных слоев жидкости и считать, что на всем электродном , участке пограничные слои уже сомкнулись и течение жидкости везде стабилизированное.

а) б)

Рисунок 1- Расчетная схема электродного блока ЭФУ: а) с плоскопараллельным расположением электродов и б) с суспендированными электродами

Эти условия позволяют воспользоваться уравнениями неразрывности и импульсов механики гетерогенных сред, которые в интегральной форме и пофазном виде запишутся в следующем виде:

с' .V V У У .(=1

— (2)

Г 01 V V } = 1

В уравнении (1) и (2) приняты следующие обозначения: i.j - индексы компонентов смеси; v,-скорость /-ой фазы, м/с; р__= axp±J -приведенная плотность /-ой фазы, кг/м^; р° -истинная плотность /-ой фазы, кг/м3; - объемное содержание /-ой фазы; J,, - интенсивность перехода массы из J-ой компоненты в /-ую, сг. ~ - тензор поверхностных напряжений в /-ой фазе, д, - плотность внешних массовых сил, тействуюших на /'-ую фазу, P,i -интенсивность обмена импульсом между /-ой и /-ой составляющими.

Интенсивность обмена импульсом представим в виде Pit = -^Jj.Vj,, причем / =j и где Л,, - межфазная сила, a J;lv]t - поток импульса из j -ой компоненты в / -ую за счет фазовых переходов.

Межфазная сила для двухфазной смеси определяется из выражения:

-«2 grad P + Fllm + F^, (3)

где F\2m -сила инерции присоединенных масс и Fxlv. - сила сопротивления обтеканию пузырьков электролизного газа.

Усредняя систему уравнении (1)-(3) по поперечному сечению канала ЭФУ (S = 2ЬГ) методом гидравлической теории и учитывая принятую модель двухфазного потока, получим в случае стационарного течения следующую систему одномерных уравнений:

J-(S<A«,>)+2S<0 = ° (4) j^(S(Piu2))-2S(qJ = 0 (5)

■£(s(p2u22))= ~<a2>^S ~ + (7)

здесь: х - продольная координата, м; и, - продольная скорость, м/с: < гы> - осредненное по сечению напряжение трения на стенках канала, определяемое по гомогенной модели.

Оценка членов уравнения (4) - (7) по порядку величин показывает, что потоки массы и импульса дисперсной фазы на три порядка меньше соответствующих потоков несущей фазы, т.е. ими можно пренебречь.

С учетом этого замечания, законов электролиза Фарадея и дифференциального закона Ома, а также введя независимую переменную: 51=и;(л-)/г(|(дг) -коэффициент проскальзывания фаз и исключая из уравнений (6) и (7) градиент давления, уравнения приводятся к виду:

4 («5)^ + Я, (а 5,)^ = С, (а 5,) (8)

М'^ + вАа^сАаЛ)

где £=х/Ь=0, «;(0)=0,5,(0)=1.

На рис. 2а показаны решения системы уравнений (8) а2 и 5, (С) для различных расходов несущей фазы на входе в канал. Система интегрировалась численно методом Рунге-Кутта.

Увеличение расхода несущей фазы приводит к снижению газосодержания а(4) и коэффициента проскальзывания фаз (по длине канала ЭФУ. Уменьшение и 5, (<0 с повышением расхода объясняется тем, что скорость всплытия пузырьков в канале складывается из собственной скорости и скорости несущей фазы. С увеличением расхода жидкости растет скорость несущей фазы, а собственная скорость почти не изменяется, поэтому а(<£) уменьшается.

Найденные функции и (С) позволяют рассчитать зависи-

мость любого параметра по длине канала ЭФУ, в частности, давление Р- = Р (¿3 и электрическое сопротивление объема жидкости в ЭФУ.

2^ »¿'Л * >)

где Л) = Р(0): V,,. среднерасходная скорость при С = 0, м/с; Я -коэф-

фициент гидравлического трения; D -гидравлический диаметр, м.

Для коэффициента изменения электрического сопротивления с учетом стэ = f (а) получим следующее выражение:

д. =l/j_-^-у (10)

I , а (£ 11 - cos ]

J l + i-- X 2 }

"I

С целью экспериментальной проверки адекватности процессов в ЭФУ полученным аналитическим зависимостям были выполнены исследования по определению давления />. и коэффициента Я- по высоте канала для ргодичных расходов несущей фазы и сопоставлены их опытные и расчетные значения, необходимые для косвенной проверки выражений (9) и (10).

На рис. 26 представлены опытные и расчетные значения изменения Р. от параметра <£. Отклонение этих параметров от линейной зависимости характеризует роль скоростной неравномерности фаз на диссипацию механической энергии потока.

На рис. За показана зависимость опытных и расчетных значений коэффициента R* от чисел Рейнольдса для различных напряжений на электродах. Остальные параметры были неизменными.

Графики показывают, что диссипация механической энергии в канале ЭФУ зависит не только от плотности электрического тока при <j\ = const, но и от распределения пузырьков по длине канала ЭФУ, в отличие от известных. Несоответствие между расчетными формулами (9) и (10) и опытными данными не превышает 0,5%, что позволяет судить о высокой степени достоверности результатов исследований.

Проведенные исследования газонаполнения канала ЭФУ с плоскопараллельным расположением электродов показывают, что оно зависит не только от электрических параметров, но в значительной мере

Б

"-20 1.25 120 1.1 Е 1.10 1.05 100

1 / 1 ' '■

/1 2 1

/ и - / / к"з

1/1 ' ? /ЬЛ_

1 / .1 ¡-у А—*

— X_!

ш /7 -VI 41 I

1

о.; о.4

0.6 а)

С.З 1.0'

Э,Э81-

1,зеи

I

0,32

0,50 0,881-0,3б1

! ;1=20»И,

, >1Е00и<,

Ь=130чм з.= 3 См/М

Р' Э] =15С:<Ла, и-:*В

V. !:'%</;

!

О,: 3,4 3,6 0,8 1,0

3 • ®.75--.0''и'/с у- г.ко-ч:/е б)

Рисунок 2- Зависимость а) газосодержания ( а2) и коэффициента проскальзывания фаз (5") от параметра С, = О'ё. (расход жидкости 6:1-0,75; 2 -1,0; 3 -1,5; 4 -2,0; 5 - 2,5 дм3/сек.); б) давления Р. от параметра И/с1 для различных расходов жидкости

1.14 1.12 1.10 1.08 1.06 1.04 1.02 1.00

1

!\

\ 1 \

Ч- ! \

\ \

1 \ \

1 К ^

1

!

0 1 2 2 4 КеЮ

ь А ' 1

I 1 1 У У 1

! 1 //1 I

1 1 1 | /X1 ! 1

I Ь \ 1 |

¡.О 1.2 1.4 1.6 1.3 1

а)

б)

Рисунок 3 — а) Зависимость опытных и расчетных значений электрического сопротивления Я. от чисел Рейнольдса для различных напряжений на электродах (1 -36 В; 2 -70 В); б) зависимость изменения профиля электродов от диаметра (а) электролизных пузырьков (1-20 мкм, 2- 25 мкм, 3- 300 мкм, 4- 350 мкм)

определяется гидродинамическими характеристиками течения двухфазного потока.

Само конструктивное решение ЭФУ с плоскопараллельным расположением электродов не позволяет создать оптимальное газосодержание в объеме стока, что в целом существенно снижает эффективность процесса очистки сточных вод систем оборотного водопользования.

Следовательно, необходимо разработать такие аппаратные схемы ЭФУ, которые бы обеспечивали оптимальный гидродинамический режим пузырьковой структуры в объеме очищаемой жидкости при очистке сточных вод.

На рисунке 16 показана расчетная схема ЭФУ, которая представляет собой расширяющийся канал прямоугольного поперечного сечения и состоит из электродной 1 и неэлектродной 2 частей, профилированных электродов 4 и суспендированных (объемных) электродов 5, поддерживаемых в градиентном потоке силой Архимеда и сопротивления обтеканию. Эта схема ЭФУ обеспечивает равномерное выделение пузырьков электролизных газов в объеме обрабатываемого стока, что повышает эффективность очистки.

Используя осредненные уравнения (3)-(7) механики двухфазного потока, дополнив их уравнениями неразрывности и импульсов для трехфазного потока, приняв ц = цн и ц = Цн+1-1о/: -молекулярная масса газа соответственно для растворимых и нерастворимых электродов, приняв а = ст.ст (ст.-приведенная электропроводность ) и учитывая, что а3 « сь получим следующее соотношение для нахождения степени раскрытия канала ЭФУ:

, , 1Я + С, I. = 1н---р=-1п

2 4Ъ

У[5 + 1 + ЕХ. л/О-1

•Л5 +1 4Ъ-\-Ех.

-1(1 + Д) 1пР-(1+&-)2| 2 £>-1

(И)

На рис. 36 показано однопараметрическое семейство профилей электродной части канала ЭФУ для различных диаметров пузырьков электролизного газа.

Характер изменения кривых показывает, что профиль канала ЭФУ является весьма чувствительным к диаметру электролизных пузырьков: чем больше их диаметр, тем больше должна быть степень раскрытия канала. Эту особенность .можно объяснить тем, что с увеличением диаметра пузырька растет скорость его всплытия, а это приводит к уменьшению объемного газосодержания а2.

Концентрация суспендированных электродов в ЭФУ при условии непрерывного изменения их радиуса после соответствующих преобразований определится по выражению:

4-т ЛО) * М '

Время всплытия электролизных пузырьков в канале ЭФУ находится по уравнению:

= А |п|1 + е1

<2 (Ь) Выводы. Полученные решения позволяют конструктивно определять параметры аппаратных схем ЭФУ, осуществлять расчет засыпки суспендированных электродов, найти время пребывания электролизных пузырьков в канале и его геометрию. Определена область устойчивых режимов работы ЭФУ с изменяемой геометрией канала, позволяющая повысить надежность его работы и ресурс при общем снижении энергетических затрат на единицу обрабатываемой жидкости.

В развитии метода электрофлотации на основании обобщения литературных данных и собственных исследований в четвертой главе (Разработка и исследование рабочих параметров эффективных ап-

иаратных схем ЭФУ гидродинамического типа) предложено исполь-ювать для интенсификации процесса очистки ЭФУ с электродами на упругих связях и в форме винтовой поверхности, представлен вывод уравнения их динамики с решением частной задачи о газовыделении с электродов.

Используя ранее полученные соотношения и запись изменения скорости относительного движения электродов на упругих связях по периодическому закону: Г = и, - Асо cos cov, где u\ -скорость потока жидкости, А - амплитуда колебания электродов, со -частота колебаний; при условии Асо2 »и¡av- роль сил трения незначительна и отрыв пузырька происходит при максимальном значении силы инерции присоединенных масс, т.е. при |sin cur|=l, получим следующее выражение для определения отрывного радиуса пузырька:

здесь стз — плотность материала электрода, кг/м3; <13 - характерный размер микронеровности, на которой зарождается и растет пузырек газа.

С учетом наличия диэлектрических перегородок решена задача о газовыделении в ЭФУ с электродами на упругих связях.

Решена также задача о газовыделении и представлены сведения по разработке и исследованию ЭФУ с электродами в форме винтовой поверхности. Для объемного газонаполнения получено следующее соотношение:

(14)

(15)

К

а

(16)

О + К

здесь К = JRT/2[Рат- 1/2 pgHJF.

Величина тока на электродах с учетом гидродинамики потока определится из выражения:

У = 2-

(17)

1 - а2 ЯТ

Необходимое напряжение и на электродах с учетом выражения (10) для электрического сопротивления потока жидкости находится по уравнению:

„ , а, / +1 РдНЪ+\р8"Ь-"г)

и = 4—=----*--„о,

1-а,2/ + 1<тягг2 ЯГ (18)

где /-число электродов в одном ряду, штук; г -внешний радиус ЭФУ, м; О -расход обрабатываемой жидкости, м3/с.

В пятой главе (Исследование процессов очистки сточных вод в ЭФУ гидродинамического типа с целью оборотного водопользования) представлены результаты экспериментальных исследований процесса очистки нефтесодержаших и хромсодержащих сточных на аппаратных схемах конструктивно разработанных ЭФУ.

Приведены данные о физико-химическом составе сточных вод и результаты исследований по очистке нефтесодержаших сточных вод тепловых электростанций на ЭФУ с суспендированными электродами и электродами на упругих связях. Представлены сведения по очистке нефтесодержаших сточных вод автопредприятий на ЭФУ с электродами в форме винтовой поверхности. Очистке хромсодержаших сточных вод посвящен раздел, где в качестве устройства для очистки была применена ЭФУ с электродами на упругих связях.

На рисунке 4а показана зависимость остаточной концентрации нефтепродуктов от времени электрообработки в канале ЭФУ с суспендированными (1) и плоскопараллельными (2) электродами при расходе сточной воды О =0.5 дм7с.

а) б)

Рисунок 4- а) зависимость остаточной концентрации нефтепродуктов от времени обработки сточных вод; б) зависимость расхода электроэнергии от исходной концентрации нефтепродуктов (1 - ЭФУ с плоскопараллельными электродами; 2 — ЭФУ с суспендированными электродами).

Зависимость расхода электроэнергии на очистку сточных вод до остаточной концентрации (Скон = 0,5 мг/л) по нефтепродуктам при равенстве значений плотности тока (/ = const) от исходной концентрации Си нефтепродуктов для ЭФУ с различными типами электродных систем представлена на рисунке 46.

В этой же главе дано сравнение вариантов очистки сточных вод оборотной системы водопользования в известных устройствах и по предложенным аппаратным схемам ЭФУ. Показано, что очистка сточных вод, содержащих нефтепродукты, в разработанных аппаратных схемах ЭФУ гидродинамического типа происходит намного эффективнее по сравнению с другими известными схемами ЭФУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1 .Разработана математическая модель процесса электрофлотоочис-тки сточных вод СОВП предприятий, учитывающая газонаполнение электродной зоны канала ЭФУ. Установлена адекватность модели реальному процессу. Теоретической предпосылкой разработанной модели послужило уточнение существующих представлений о влиянии гидродинамики потока на газонаполнение в активной зоне канала ЭФУ.

2.Исследовано влияние энергетических и гидродинамических параметров на работу ЭФУ с новым принципом организации процесса очистки сточных вод. На основе полученных результатов разработана методика расчета, позволяющая определять конструктивные характеристики ЭФУ.

3.Показано, что между газонаполнением, степенью очистки и электрическим сопротивлением обрабатываемой жидкости существует функциональная зависимость, обеспечивающая требуемую степень очистки нефтесодержащих и хромсодержащих сточных вод СОВП. Согласно приведенных последовательностей расчета определяются конструктивные параметры и уточняются выходные показатели ЭФУ.

4.Разработанные нами аппаратные схемы ЭФУ с суспендированными (объемными) электродами, с электродами на упругих связях и с электродами в форме винтовой поверхности, использованы при расчете и проектировании ЭФУ для очистки стоков СОВП в теплоэнергетической, черной и цветной металлургии и в других отраслях, имеющих нефтезагрязненные и хромсодержащие сточные воды. Предложенные аппаратные схемы ЭФУ можно применять в гальванотехнике, например, в технологии извлечения цветных и драгоценных металлов из слабоконцентрированных растворов.

5.Использование ЭФУ с новым принципом организации газовыделения в объеме обрабатываемой жидкости при очистке сточных вод позволяет снизить энергозатраты на 30 — 35 %, уменьшить время электрообработки и концентрацию нефтепродуктов до ГЩК.

Список публикаций по теме диссертационной работы

1 .К расчету электрофлотатора с пространственной системой электродов /Известия вузов. Строительство и архитектура. №11, 1986, с.90-94 (соавтор Васильев А.П.).

2.Глубокая очистка нефтесодержащих сточных вод и их повторное использование в оборотном водоснабжении /В кн. Вопросы оптимизации использования подземных вод Урала: ч. 2, Свердловск: Изд-во УНЦ АН СССР, 1986, с.28-29.

3.Очистка сбросов гальванических производств и расчет электролизера /В кн. Гальванотехника-87: Казань: Казанский химико-технолог. институт им. С.М. Кирова, 1987, с.301-302.

4.Электрофлотатор. /Информация о науч.-техн. достижении. ЦН ТИ. - № 88-15. Оренбург, 1988.- 0,15 уч.-изд. листа.

5.Математическая модель электрофлотатора с оптимальным газосодержанием /В кн. Молодые ученые и специалисты - народному хозяйству. Оренбург: Изд-во Союза научных и инженерных обществ. 1989, с.136-137.

6.Установка для обработки жидкости / A.c. № 1498716 СССР, МКИ C02F1/46.- 4099463/31-26. Заявлено 29.07.86. Опубл. 07.08.89. Бюл. № 29 (соавторы Васильев А.П. и др.).

7.Электрофлотатор /A.c. № 1546432 СССР, МКИ C02F1/46.- 4066 562 /23-26. Заявлено 02.04.86. Опубл. 28.02.90. Бюл. № 8 (соавторы Васильев А.П. и др.).

8.Электролизер для очистки нефтесодержащих вод /A.c. № 15604 81 СССР, МКИ C02F1/46.- 3735119/31-26. Заявлено 29.04.84. Опубл. 03.01.91. Бюл. № 16 (соавторы Васильев А.П.др.).

9.Расчет газонаполнения активной зоны канала электрофлотатора /Известия вузов. Сер. Строительство и архитектура. № 9, 1990, с.90 — 96 (соавтор Васильев А.П.).

Ю.Энергосберегающая технология очистки воды на примере электрофлотации / В кн. Оптимизация природопользования и охрана окружающей среды Южно-Уральского региона. Оренбург: Изд-во ОГУ, 1998, с.264 ( соавтор Сандаков К.С.).

11 .Метод расчета оптимального соотношения между газонаполнением и гидродинамикой потока в электрофлотаторе /В кн. Оптимизация природопользования и охрана окружающей среды Южно -Уральского региона. Оренбург: Изд-во ОГУ, 1998, с.267 (соавтор Сандаков К.С.).

у

7

Лицензия Ла ЛР020716 Подписано н печать 29.10.98 Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл. печ. л. 1,4 Тираж 100 Заказ 820

Отпечатанно в Оренбургском государственном университете. 460352, г.Оренбург. ГСП. пр. Победы. 13. ИПК ОГУ

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Сандаков, Сергей Аркадьевич, Оренбург

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

САНДАКОВ СЕРГЕЙ АРКАДЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД РАЗРАБОТКОЙ АППАРАТНЫХ СХЕМ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННЫХ УСТАНОВОК ОБОРОТНОГО ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

Специальность 11.00.11— Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на с степени кандидата

оискание ученой технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук профессор В.А. Бондаренко

Оренбург 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ.......................................................................2

ВВЕДЕНИЕ............................................................................5

1 Обзор эффективности очистки сточных вод промышленных предприятий методом электрофлотации......................................................... 11

1.1 Способы и устройства для интенсификации процесса очистки сточных вод электрофлотацией....................................................11

1.2 Анализ уровня развития теории электрофлотации как эффективного метода очистки сточных вод..................................................25

1.3 Постановка задач исследований гидродинамики процесса электрофлотации и разработка аппаратных схем электрофлотоустановок (ЭФУ) гидродинамического типа .......................................... 30

1.4 Выводы...........................................................................31

2 Исследование параметров ЭФУ гидродинамического типа с плоскопараллельным расположением электродов.............................................33

2.1 Расчет газонаполнения активной зоны канала ЭФУ (электродного блока) с плоскопараллельным расположением электродов............33

2.2 Исследование параметров ЭФУ гидродинамического типа с плоскопараллельным расположением электродов.................................46

2.3 Выводы...........................................................................52

3 Разработка и исследование рабочих параметров эффективных аппаратных схем ЭФУ с суспендированными электродами.................................53

3.1 Гидродинамическая схема ЭФУ с суспендированными (объемными) электродами......................................................................53

3.2 Задача о профилировании электродной зоны канала ЭФУ с суспендированными электродами......................................................56

3.3 Задача о профилировании не электродной зоны канала ЭФУ с суспендированными электродами...............................................77

3.4 Исследование гидродинамики проточной части электродного блока ЭФУ с суспендированными (объемными) электродами................82

3.5 Выводы........................................................................ ...87

4 Разработка и исследование рабочих параметров эффективных аппаратных схем ЭФУ гидродинамического типа.............................................89

4.1 Разработка и исследование ЭФУ с электродами на упругих связях.. 89

4.2 Задача о газовыделении с поверхности электродов на упругих связях

4.3 Вывод уравнения динамики электродов на упругих связях............93

4.4 Разработка и исследование электрофлотоустановки с электродами в форме винтовой поверхности................................................104

4.4 Расчет газовыделения на электродах в форме винтовой

поверхности.....................................................................118

4.6 Выводы...........................................................................126

5 Исследования процессов очистки сточных вод в электрофлотоустановках гидродинамического типа с целью оборотного водопользования.........128

5.1 Очистка нефтесодержащих сточных вод тепловых электростанций в ЭФУ с суспендированными электродами.................................128

5.2 Результаты опытно-промышленных и лабораторных испытаний ЭФУ с электродами на упругих связях...........................................138

5.3 Лабораторные и опытно-промышленные исследования работы ЭФУ с электродами в форме винтовой поверхности для очистки нефтезаг-рязненных сточных вод...................................................... 144

5.4 Очистка хромосодержащих сточных вод гальванопроизводств (на примере сточных вод ОАО "Инвертор") в ЭФУ с электродами на упругих связях.....................................................................146

5.5 Выводы...........................................................................152

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................... 153

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................155

ПРИЛОЖЕНИЯ

169

Приложение А. Решение задачи о влиянии гидродинамики потока на газонаполнение канала ЭФУ с плоскопараллельными

электродами..........................................................169

Приложение Б. Решение задачи о профилировании канала ЭФУ с суспендированными электродами...........................................193

Приложение В. Приборы и оценка их погрешности.............................239

Приложение Г. Алгоритм конструкторского расчета ЭФУ с суспендированными электродами...................................................242

Приложение Д. Алгоритм конструкторского расчета ЭФУ с электродами на

упругих связях........................................................246

Приложение Е. Алгоритм конструкторского расчета ЭФУ с электродами в

форме винтовой поверхности...................................251

Приложение Ж. Методика определения электропроводности стока при его обработке в однородном и неоднородном электрических полях.....................................................................254

Приложение 3. Технические акты внедрения результатов исследований: Ириклинская ГРЭС, Сакмарская ТЭЦ, ЗАО «Юниверс» (Москва), ОАО «Инвертор», акт использования результатов диссертационной работы в учебном процессе..............255

ВВЕДЕНИЕ

В преддверии следующего тысячелетия проблема охраны окружающей среды, рационального использования природных ресурсов и экономного расходования энергоресурсов из всех проблем стала наиболее актуальной. Непрекращающееся загрязнение природных вод продуктами жизнедеятельности человека представляет серьезную угрозу всему живому на земле.

За последние десять и более лет в крупных промышленных центрах России, в том числе и в Оренбуржье, построены и эксплуатируются городские очистные сооружения, на которых проходят очистку бытовые и промышленные сточные воды, поступающие от населения, проживающего на данной территории и от ряда промышленных предприятий, что обеспечивает снижение первоначальных затрат как на возведение очистных сооружений так и на их содержание, кроме того в групповых очистных сооружениях осуществляется более надежная и качественная очистка сточных вод при автоматическом и визуальном контроле за работой сооружений и качеством очистки со стороны обслуживающего персонала.

Однако, наряду с положительными моментами, имеет место и то, что вследствие поступления сточных вод от промышленных предприятий в виде «залповых» выбросов разработанные для обработки определенного объема сточных вод очистные сооружения не справляются с очисткой и неочищенные стоки сбрасываются в водоемы, загрязняя их, тем самым наносится непоправимый ущерб окружающей среде.

К наиболее опасным загрязнителям природных вод относятся нефтепродукты, под которыми в соответствие с терминологией международной конвенции [90] подразумеваются: сырая нефть, мазут, тяжелое дизельное топливо, смазочные масла и другие продукты переработки углеводородсодер-жащего сырья.

По сведениям, представленным в работах [97,107] известно, что орга-нолептические показатели питьевой воды резко ухудшаются при содержании нефтепродуктов в ней более 0,05 мг/л.

Допускаемое нормами содержание нефтепродуктов не должно превышать 0,05 мг/л для питьевой воды и не более 0,1 мг/л для водоемов санитар-но- бытового использования, при этом на поверхности воды открытых водозаборов не должно быть «нефтяных» пятен.

Расширение сети нефтехранилищ, гаражей, бензоколонок, открытых автостоянок, аэропортов и т.п. также приводит к увеличению доли загрязнения территорий нефтепродуктами и, соответственно, вод поверхностного стока, попадающего в водоемы [52,55,65,79,92,126,127, 144].

В воде, применяемой в технологических целях на предприятиях различных форм собственности, также нормируется содержание нефтепродуктов [52,80,95,137]. Например, наличие их в питательной воде уменьшают надежность работы паровых котлов, так как нефтепродукты сорбируются накипью, имеющей пористую структуру, и тем самым участвуют в загрязнении поверхности нагрева котельных установок, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи и, соответственно, к увеличению расхода энергоресурсов предприятий на собственные нужды.

Исходя из вышеизложенного, к качеству питательной воды по суммарному содержанию нефтепродуктов предъявляются следующие требования:

л

для котлов с естественной циркуляцией и давлением до 40 кгс/см не более 1

л

мг/л; для котлов с давление свыше 40 кгс/см не более 0,3 мг/л; для прямоточных котлов высокого давления не более 0,1 мг/л [80,95,133,].

Таким образом, не снижающиеся масштабы добычи нефти и продуктов ее переработки, возрастание транспортировок и потребления нефтепродуктов адекватно приводят к увеличению количества загрязненных ими вод.

В условиях рыночных отношений проблема роста промышленных мощностей различных видов производства, в частности, теплоэнергетических

станций и автопредприятий и необходимость в предотвращении загрязнения сточными водами природных источников водоснабжения привела к многочисленным предложениям по обработке этих стоков и созданию систем оборотного водопользования [52,67,73,79,106,109,113,140].

Затраты на обработку и утилизацию сточных вод по этим предложениям часто превышают стоимость самой водоподготовки. Вследствие чего задачи рационального использования природных ресурсов на современном этапе развития водоподготовки диктуют необходимость создания новых технологических решений и новых эффективных аппаратных схем для их реализации.

Развитие методов электрообработки сточных вод в совокупности с низкими удельными затратами на их очистку и сравнительно дешевой электрической энергией создают необходимые предпосылки для разработки и создания локальных (цеховых) систем оборотного водопользования на базе перспективных и эффективных аппаратных схем электрофлотоустановок (ЭФУ ).

Фактическими достоинствами электрофлотоустановок являются их высокая производительность и эффективность, компактность и возможность полной автоматизации технологического процесса водоочистки [49].

К физико-химическим преимуществам подобных устройств относят высокую степень дисперсности и специфическую активность пузырьков электролизных газов, возможность плавного изменения их размеров и концентрации, образование при соответствующих условиях на поверхности электродов и в объеме обрабатываемой жидкости сильных окислителей, например: озона, перексида водорода, хлора и т.д. [28,54,58,59,75,89].

Основы метода электрообработки сточных вод были изложены в работах Л.А. Кульского, C.B. Яковлева, Б.М. Матова, В.А., Глембоцкого и A.A. Ма-макова [58,78,85,86,140].

Развитие этот метод обработки воды получил в трудах А.И. Мацнева, В.М. Рогова, И.С. Лаврова, О.В. Смирнова, В.Д. Ющенко, ИТ. Краснобо-

родько, М.М. Назаряна, В.В. Пушкарева, В.Т. Ефимова, В.Д. Назарова, И.Л. Мархасина, Ю.А. Феофанова и других исследователей [59,67,74,75,83,93, 98,99,105,114,129-131,135,146-149].

В то же время процессы, протекающие в ЭФУ гидродинамического типа с суспендированными (объемными) электродами, с электродами на упругих связях и в форме винтовой поверхности практически не исследовались, что затрудняет их расчет и проектирование. Также к неисследованным процессам можно отнести вопрос о газонаполнении активной зоны (электродного блока) канала ЭФУ гидродинамического типа.

Значимость этого процесса состоит в том, что увеличение газонаполнения в объеме жидкости, с одной стороны, благоприятно влияет на повышение качества очистки сточных вод, а с другой стороны - отрицательно сказывается на энергетических затратах. Следовательно, между этими двумя противоположными тенденциями существует оптимальная величина интегрального газосодержания, при которой заданная степень извлечения примесей будет достигнута при минимально допустимых энергозатратах.

Вследствие чего представляет интерес исследование течения и устойчивости пузырьковых структур в каналах ЭФУ гидродинамического типа, так как имеющиеся по литературным источникам сведения [75,93,105,111] не полно отражают реальную картину устойчивости двухфазного потока «газ-жидкость», не учитывают появление трехфазного периметра смачивания, в практических расчетах ЭФУ не учитывается зависимость электрического сопротивления обрабатываемой жидкости от объемного содержания в нем газовой и твердой фаз, что приводит к неоправданно большому увеличению габаритов ЭФУ и повышенным энергетическим затратам.

Рекомендации по расчету ЭФУ, базирующиеся на экспериментально определенных значениях плотности тока на электродах и расходуемого удельного количества электричества, не всегда адекватно отражают сущность гидродинамических процессов, происходящих при электрофлотационной очистке

сточных вод, что тоже является недостатком существующих теоретических изысканий.

Кроме того, решение вопроса расчета и конструирования электродного блока канала ЭФУ гидродинамического типа с целью более полного использования электрохимической активности электролизных пузырьков не нашло отражения в литературе, что отрицательно сказывается на методологических подходах к решению поставленной задачи.

Исходя из вышеизложенного, целью данной работы является исследование и разработка новых аппаратных схем и конструктивных решений ЭФУ гидродинамического типа и методов их расчета для интенсификации процесса очистки сточных вод систем оборотного водопользования (СОВП) за счет организации оптимального газовыделения на электродах и в объеме обрабатываемой жидкости.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

-расчет газонаполнения активной зоны канала ЭФУ с плоскопараллельным расположением электродов для двухфазных потоков;

-экспериментальное исследование гидродинамических характеристик ЭФУ с плоскопараллельным расположением электродов;

-исследование гидродинамических особенностей канала ЭФУ с суспендированными (объемными) электродами;

- создание методики расчета интегральных характеристик ЭФУ для трехфазного потока жидкости (жидкость- газ- твердое тело);

- разработка эффективных аппаратных схем и конструкций ЭФУ для очистки сточных вод систем оборотного водопользования.

В диссертационной работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований. Теоретические решения получены с применением уравнений прикладной гидродинамики, механики гетерогенных

сред и теории колебаний. Численные исследования основаны на методах вычислительной математики и программирования на ЭВМ.

Экспериментальные исследования выполнены с использованием теории размерностей и погрешности измерений, физико-химического анализа воды стандартными методами.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования реализованы в виде:

-методик расчета гидродинамических и конструктивных параметров ЭФУ, которые использованы при проектировании ЭФУ с различными типами электродных блоков;

-аппаратных схем ЭФУ гидродинамического типа с суспендированными электродами для очистки нефтесодержащих сточных вод;

-конструктивно разработанных и предложенных в производство аппаратных схем ЭФУ с электродами на упругих связях для предприятий автотранспорта и гальванопроизводств;

-предложенных и разработанных аппаратных схем ЭФУ гидродинамического типа с электродами в форме винтовой поверхности.

Предложенные и рассмотренные в диссертации аппаратные схемы ЭФУ, помимо основного назначения, можно применять в гальванотехнике, например, в технологии извлечения тяжелых и драгоценных металлов из слабоконцентрированных растворов.

По теме диссертации опубликовано в открытой печати одиннадцать печатных работ. Новизна исследований защищена 3 авторскими свидетельствами на изобретения.

1 ОБЗОР ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИИ

1.1 Способы и устройства для интенсификации процесса очистки сточных вод электрофлотацией

Одним из действенных методов защиты водных ресурсов от загрязнения сточными водами является оснащение промышленных предприятий локальными очистными сооружениями с целью предотвращения попадания загрязняющих компонентов в общегородскую канализацию. В этой связи возникает необходимость в разработке новых аппаратных схем и устройств, так как существующие разрабатывались под менее жесткие требования, морально и физически устарели или практически вообще не работоспособны.

Основой любой технологической схемы очистки сточных вод является последовательность выполнения технологических операций на размещенном определенным образом оборудовании. В зависимости от того, какие аппаратные схемы оборудования будут включены в технологическую схему, будет зависеть степень очистки сточных вод и коэффициент использования очищенной воды в систем