Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Виброфлотационная очистка сточных вод как способ уменьшения экологического ущерба окружающей среде

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Виброфлотационная очистка сточных вод как способ уменьшения экологического ущерба окружающей среде"

Иванов Михаил Витальевич

Виброфлотационная очистка сточных вод как способ уменьшения экологического ущерба окружающей среде

Специальность 03.02.08 - Экология (в химии и нефтехимии)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ДПР Ш

Москва 2012

Диссертационная работа выполнена на кафедре экологии и промышленной безопасности федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана».

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Ксенофоитов Борис Семенович

Официальные оппоненты: - доктор биологических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Денисов Аркадий Алексеевич

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

Кафедра инженерной защиты окружающей среды

Защита состоится «24» апреля 2012 года в 16^ часов на заседании диссертационного совета в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет инженерной экологии» (ФГБОУ ВПО «МГУИЭ») по адресу: 105066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет инженерной экологии» (ФГБОУ ВПО «МГУИЭ»),

Автореферат разослан «23» марта 2012 года

Ученый секретарь

кандидат технических наук, доцент Якушкин Валерий Петрович

диссертационного совета

Гриднева Е. С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время с ростом промышленности, малого и среднего бизнеса остро стоят вопросы переработки отходов как твердых, так и жидких, особенно в области очистки сточных вод. Это связано с тем, что большое количество сточной воды сбрасывается в поверхностные водные объекты педоочшцепными. Согласно государственным докладам о состоянии и об охране окружающей среды за 2006-2010 гг., их доля в общем объеме сбрасываемых сточных вод достигает 40%. Актуальна высокоэффективная очистка нефтесодержащих сточных вод, получаемых от увеличения объемов добычи н переработки нефти и нефтепродуктов, от все более интенсивной эксплуатации автотранспортных средств и от прочих источников.

При этом требования к очищенной воде представляются достаточно строгими, хотя на практике в большинстве случаев не удается достигнуть нормативного качества очищенных сточных вод. В этой связи важнейшее значение имеет развитие и разработка новых способов и устройств для очистки производственных сточных вод.

Широкое распространение в очистке нефтесодержащих сточных вод получила флотационная техника. Однако ее применение не всегда оказывается эффективным. К настоящему времени было разработано много способов интенсификации флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод. Однако не всегда использование флотационных способов приводит к получению желаемого результата.

Одним из наименее изученных в области очистки сточных вод и, по нашему мнению, перспективных методов является использование вибрационного воздействия на процесс флотации. Как показали результаты предварительных исследований, интенсификация флотационной очистки сточных вод, загрязненных нефтепродуктами и прочими гидрофобными загрязнениями, методом вибрационного воздействия представляет важную научно-практическую задачу.

Проведенные исследования базировались на трудах ведущих ученых в области теоретических и экспериментальных методов исследования процессов и аппаратов разделения неоднородных систем, в частности, Аделышша А. Б., Баранова Д. А., Белоглазова К. Ф., Бирюкова В. В., Блехмана И. И., Танеева Р.Ф., Гонопольского А. М., Ксенофонтова Б.С., Классена В.И., Кубенко В.Д., Мещерякова Н. Ф., Рубинштейна Ю. Б., Рулева Н. Н., Систера В. Г., Яковлева С. В. и целого ряда других ученых. При этом изучался не только отечественный, но и мировой опыт в данной области, и анализировались наработки компаний \Vemco, Вгие1 & К]аег и др.

Цель работы:

Исследование флотационного процесса с учетом явлений диспергирования пузырьков воздуха и коалесценции флотокомплексов под влиянием вибрационного воздействия и разработка методики расчета виброфлотомашины.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследовать многостадийный процесс виброфлотации гидрофобных загрязнений и разработать модель данного процесса.

2. Выбрать и оптимизировать режимы вибровоздействий.

3. Провести экспериментальные исследования по воздействию вибрации на

флотацию.

4. Разработать методику расчета виброфлотомашины.

5. Разработать технические решения для практической реализации

виброфлотационного способа очистки нефтесодержащих сточных вод.

6. Провести оценку предотвращенного экологического ущерба окружающей

среде в результате использования предлагаемых технических решений.

Методы исследования: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, натурные исследования, обработка экспериментальных данных методами математической статистики, корреляционного и регрессивного анализа с применением ЭВМ, лабораторные и опытно-промышленные исследования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована планированием необходимого объема экспериментов, построением математической модели эксперимента, удовлетворительной сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и опытно-промышленных условиях, использованием современных аттестованных средств измерений показателей. При этом экспериментальные данные, полученные на модельных установках, соответствуют результатам испытания опытной установки.

Научная новизна:

1. впервые комплексно описан процесс многостадийной флотации для различных видов загрязнений с учетом явлений диспергирования пузырьков воздуха и коалесценции флотокомплексов, учитывающий основные факторы, действующие на флотацию и основные процессы, проходящие во время флотации;

2. впервые разработана виброфлотомашина с диспергированием в корпусе аппарата;

3. усовершенствована методика определения среднего размера флотационного пузырька воздуха;

4. разработана методика расчета виброфлотомашины с диспергированием в корпусе аппарата.

Основные положения научной новизны защищены патентом на полезную модель.

Практическое значение работы:

Результаты выполненных исследований использованы для описания многостадийного процесса вибрационной флотации с учетом явлений диспергирования пузырьков воздуха и коалесценции флотокомплексов.

Разработана методика расчета многостадийного процесса флотации с учетом диспергирования и коалесценции, позволяющими значительно сократить время протекания данного процесса и, как следствие, заметно уменьшить габариты установок.

Разработана виброфлотомашина с диспергированием в корпусе аппарата, что позволило создать гювыи тип высокоэффективной техники с широким диапазоном необходимой степени очистки сточных вод для различного использования. Разработанная виброфлотомашина заложена в проект локальных очистных сооружений автоцентра «Измайлово» (г. Москва).

Выданы практические рекомендации по усовершенствованию оборотной системы водопользования на предприятии Газпромнефть - Московский НПЗ исполнителю работ ООО «Водные технологии и промышленная безопасность». Положения, выносимые на защиту:

1. модель многостадийного процесса вибрационной флотации;

2. результаты исследования влияния вибрации на флотационный процесс очистки нефтесодержащих сточных вод;

3. методика расчета виброфлотомашины;

4. оригинальная внброфлотомашина, защищенная патентом РФ на полезную модель;

5. технико-экономическая оценка виброфлотационного способа очистки нефтесодержащих сточных вод и рекомендации для его практического использования.

Апробация и публикации результатов работы.

Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на общеуниверситетской научно-технической конференции «Студенческая научная весна - 2011»; «Студенческая научная весна - 2010»; Всероссийской молодежной научно-инженерной выставки «Политехника» - 2011, на международной выставке и конгрессе «Вода: экология и технология» ЭКВАТЭК-2010, а также на заседании круглого стола в рамках «Недели горняка - 2012», на конференциях в университете г. Генуи, Италия и университете Миддлсекс, Великобритания.

По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных статей, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК - 4 работы; получен патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 148 страницах основного текста, включает 11 таблиц, 45 рисунков и состоит из введения, 7 глав, выводов, библиографического списка, состоящего из 119 наименований и 6 приложений. В приложении представлены копии документов экспериментальных исследований, подтверждающие достоверность результатов работы и ее практическую значимость.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненной работы, изложены научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту, сформулированы практическая значимость и научная новизна работы.

В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований» проведена экологическая оценка сброса недоочищенных нефтесодержащих сточных вод, которая показала их отрицательное воздействие на окружающую среду. Идентифицированы источники загрязнения сточных вод нефтепродуктами и обозначены последствия попадания сточных вод в водоемы. Объем сброса недоочищенных сточных вод в 2010 году увеличился по сравнению с предыдущим на 0,5 км3. При этом ежегодно недоочищенными сбрасывается до 40% от всего объема сточных вод. Общее же количество нефтепродуктов, сброшенных со сточными водами за один только 2010 год, составляет 2,5 тысячи тонн.

Аналпз увеличения объемов сброса выявил главную задачу -уменьшение концентрации нефти и нефтепродуктов в сбрасываемой сточной воде до нормативных значений за счет их более эффективной очистки. Кратко представлены современные методы и средства очистки сточных вод от нефтепродуктов, жиров и прочих гидрофобных загрязнений. Дана краткая характеристика существующих методов очистки, а также перечислены их основные достоинства и недостатки, кроме того, показаны области, в которых применение того или иного метода очистки сточных вод от гидрофобных загрязнений является наиболее применимым.

Описаны применяющиеся модели флотационной очистки сточных вод, а также перечислены их основные достоинства и недостатки. Особое внимание уделено многостадийной модели флотации проф. Ксенофонтова, как модели, дающей наиболее полное описание флотационного процесса, путем разложения его на несколько стадий.

Показаны наиболее распространенные способы интенсификации флотационной очистки сточных вод, в том числе методами вибрационной флотации. Показаны основные преимущества и недостатки их применения. Отмечено, что существующие работы в области интенсификации флотационной очистки сточных вод исследуют влияние интенсифицирующего воздействия лишь на некоторые факторы и процессы, происходящие при флотации. Как российские, так и зарубежные исследователи основной упор делают либо на интенсификацию образования флотокомплекса частица загрязнения - пузырек воздуха, либо на ускорение всплытия флотокомплексов в пенный слой. Однако требуется комплексный подход в изучении процесса флотащш и его вибрационной интенсификации, который учитывает воздействие всех важных факторов и рассматривает флотацию как сложный многостадийный процесс, а именно на стадии образования флотокомплекса и его дальнейшего подъема в пенный слой.

На основании данного комплексного подхода поставлены цели и задачи работы.

lili ПТЛППЙ ГГТаВА //\I ИЧ'/l Ч TU-.A ITIM.ril.'!..lililí II ,• II. -i II ■ . w

--------1----------------------------------"I..........................................

виброфлотациопной очистки сточных вод» рассмотрены объекты, методы исследования процесса очистки сточных вод от нефтепродуктов и прочих гидрофобных загрязнений с применением впброфлотации.

Описаны схемы установок для экспериментального подтверждения математической модели виброфлотационного процесса.

Модельный

сток>

На данных аппаратах были проведены лабораторные эксперименты по очистке нефтесодержащих сточных вод. Объектами исследования являлись сточные воды автомоечного комплекса (г. Балашиха, Московская область), Московского НПЗ (Газпромнефть), лакокрасочного предприятия (г. Воскресенск, Московская область), а также модельный сток с повышенным содержанием нефтепродуктов. Отбор проб исходного стока и очищенной воды производился в соответствии с нормативными документами, допущенными для целей экоаналитического контроля, обеспечивающих их представительность и сохранность.

Аппарат для исследования виброфлотации модельного стока состоял из блока диспергирования и флотационной колонны (рис. 1). В блоке диспергирования происходит насыщение водой воздухом и подготовка таким образом насыщенной водовоздушной смеси. Блок весь в сборе подвержен вибровоздействию, за счет чего вода эффективно насыщается воздухом. Затем подготовленная водовоздушная смесь подается во флотационную колонну, которая, в свою очередь, вибрации не подвержена. Одновременно с

водовоздушной смесью в нее подается модельный сток, в результате чего идет процесс флотации. После этого очищенный сток отводится.

К плюсам данного метода можно отнести отсутствие необходимости подвергать вибрационному воздействию весь

флотационный аппарат, а только готовить

водовоздушную смесь в постоянном режиме. Причем объем камеры блока диспергирования относительно невелик (не больше 50л) и зависит от расхода и размера флотационной камеры.

Аппарат для исследования виброфлотации стока лакокрасочного предприятия состоял из флотационной колонны, закрепленной непосредственно на вибростенде и подверженной целиком в сборе вибрационным воздействиям. Данное решение было выбрано в связи с трудностью очистки стока лакокрасочного предприятия традиционными способами.

Установка для исследования виброфлотации стока автомоечного комплекса состояла из флотомашины с закрепленными на ней вибростендами. Ее суть - в диспергировании и коалесценции во флотационных камерах в корпусе аппарата. Принцип ее работы заключается в том, что исходная вода подается сначала в камеру диспергирования, где происходит первый этап

Рис. 1. Схема аппарата для исследования виброфлотации модельного стока. 1 - блок диспергирования, 2 - аэратор, 3 -вода, 4 - флотационная колонна, 5 -насыщенная водовоздушная смесь, 6 -модельный сток.

А - насыщенная водовоздушная смесь, Б -очищенная вода.

флотации, а затем в камеру коалесценции, где мелкие флотокомплексы коалесцируют и всплывают, тем самым повышая эффективность очистки. Вибростенды в данном случае устанавливались сверху на корпус флотомашины.

Содержание нефтепродуктов определялось согласно аттестованной методике выполнения измерений совместно с кафедрой химии ФН-5 МГТУ им. Н. Э. Баумана с помощью концентратомера КН-2м. Содержание взвешенных веществ измерялось с помощью турбидиметра фирмы НАСН, США типа 2100АМ. Мутность измерялась в нефелометрических единицах мутности N111. Кроме того, анализы проб проводились в независимой аналитической лаборатории «Роса» (г. Москва).

В-

Ш1 шш штф^а^т-

2/МО/

Рис.. 2. Схема лабораторной установки для исследования процессов, происходящих во время флотации.

1 - генератор, 2 - предварительный усилитель, 3 - канал отрицательной обратной связи, 4 -корпус колонны, 5 - свободная поверхность жидкости, 6 - гидрофон, 7 - видеокамера, подключенная к компьютеру, 8 - усилитель мощности, 9 - акселерометр, 10 - аэратор, 11 - вибростенд, 12 -компрессор, 13 - предварительный усилитель, 14 - двухканальный узкополосньш анализатор реального времени, 15 - компьютер с принтером.

Для выбора и оптимизации режима вибровоздействия и для изучения процессов, происходящих во время виброфлотации, таких как истечение воздуха из аэратора, диспергирование пузырьков воздуха и их коалесценция, а также всплытие образовавшихся флотокомплексов в пенный слой, была разработана лабораторная установка (рис. 2, 4), которая состояла из колонны диаметром 110 или 50 мм, изготовленной из стеклопластика, заполнялась жидкостью. Уровень заполнения жидкостью составлял 3...5 диаметров колонны. В колонне закреплялись аэраторы различной конструкции и типа для подачи пузырьков воздуха заданного размера (рис. 3). В аэратор с помощью компрессора через расширительный бак подавался воздух. Вибрационное воздействие на объект исследования осуществлялось с помощью внбростенда.

которая Тип 1 Тип 2 Тип 3

Рис. 3. Типы используемых аэраторов.

Сигнал на вибростенд подавался с генератора через усилитель мощности. Подаваемый сигнал имел синусоидальную форму и мог регулироваться как по амплитуде, так и по частоте в пределах от 20 Гц до 2000 Гц. На корпусе колонны в нижней точке закреплялся акселерометр, с помощью которого осуществлялась отрицательная обратная связь. В заполненную водой колонну погружался гидрофон, сигнал с которого подавался на узкополосный анализатор реального времени. Для визуальной регистрации и контроля процессов в корпусе колонны закреплялась фото- видеокамера высокого разрешения с макрообъективом с отношением 1:1.

Вибрационное воздействие на объект исследования передавалось несколькими способами:

• Колонна в сборе с аэратором закреплялась непосредственно на вибростенде. Вибрационным воздействиям подвергалась вся колонна с жидкостью и работающим аэратором в ней (схема А).

• Вибрационное воздействие передавалось не на всю колонну, а только на водовоздушную смесь в данной колонне. Для этого использовался подвижный поршень, опущенный в воду и соединенный с вибростендом с помощью тяги. При данном способе колонна и аэратор оставались неподвижными. Исследовалось различное взаимное расположение поршня и аэратора друг относительно друга (схемы Б и В).

• Вибрационное воздействие передавалось только на аэратор с помощью тяги, соединяющей аэратор с вибростендом. Поршень в данной схеме отсутствовал. Колонна оставалась неподвижной. (Схема Г).

Регистрация исследуемых процессов производилась путем фото- и видеосъемки, а также определением виброакустических спектров. При необходимости дальнейший анализ осуществлялся в графическом редакторе на компьютере.

В третьей главе «Теоретические исследования внброфлотационной очистки сточных вод» приведены математические модели, используемые для описания виброфлотации. В частности, приведены математические модели флотации с вибродиспергированием и флотации с виброкоалесценцией пузырьков воздуха.

Математическая модель виброфлотации с учетом диспергирования газовой фазы.

Схема модели представлена на рис. 5. Суть процессов сводится к тому, что пузырек воздуха (стадия А) под воздействием вибрации диспергируется на два меньших по размеру, образует флотокомплексы с частицами загрязнений (стадии В и С), которые затем всплывают в пенный слой (стадия О). Кроме того, может иметь место непосредственное попадание частиц загрязнения в пенный слой без образования флогокомплексов или, наоборот, их выпадение.

Fue. 4. Фотография лабораторной установки для исследования процессов, происходящих во время флотации.

Данная модель

описывается системой

дифференциальных уравнений (1). Для каждого из переходов имеют место свои

соответствующие константы, входящие в систему дифференциальных уравнений (1). Каждая константа имеет тот или иной физический смысл, определяющий процессы,

происходящие при переходе из одной стадии в другую.

Решение данной системы уравнений при известных константах переходов К; позволит найти изменение концентраций С в стадиях А, В, С и О во времени 1 Графическое представление решения

численными методами данной системы уравнений показано на рис. 6.

¿СА

А ЗЬ^6^5

Рис. 5. Схема модели флотации с учетом вибродиспергирования пузырьков воздуха. А - исходное состояние: частица загрязнения и пузырек воздуха отделены друг от друга; В и С - стадия диспергирования пузырей воздуха и образования флотокомплексов частичка-пузырек; О - стадия всплытия флотокомплексов и образования пенного слоя. К] - константы переходов из одного состояния в другое

-К3СЛ +К4Сс +К9СВ - К.ЛСА

<1СВ Л ¿С, дх ¿С» Л

~кгсв -

= КЪСЛ -КлСс ■

К'Ря +К6С0 ■ К7Сс + КЙСа

[1]

1с<м

0.!

1 Са

/ ' ^

/

/ ! ................— -------- /

\ /

¿а ..........

/7 \

(/ —__.....

¡»I«8

ме1 га«1 Время

Рис. 6. Кинетические зависимости виброфлотационного процесса (СА(1), Св(1), Сс(0, Со(0). Зависимость Св(1) полностью повторяет СсО).

Математическая модель виброфлотации с учетом

коалесценции микрофлотокомплексов

Схема модели представлена на рис. 7. В данном случае флотокомплексы частица - пузырек (стадия В) могут как непосредственно попадать в пенный слой (стадия О), так и через промежуточное состояние коалесценщпо флотокомплексов (стадия Е). Данная модель описывается системой

дифференциальных уравнений (2). Для каждого из переходов имеют место свои соответствующие константы, входящие в систему дифференциальных уравнений (2). Каждая константа имеет тот или иной физический смысл, определяющий процессы,

происходящие при переходе из одной стадии в другую.

й

Рис. 7. Схема модели флотации с учетом виброкоапесценции пузырьков воздуха. В - стадия наличия невсплывших флотокомплесов частица - пузырек; О -стадия всплытия флотокомплексов и образования пенного слоя; Е - стадия коалесценции флотокомплексов; К^ константы переходов из одного состояния в другое.

-С. = -К.С,. + К.С „ + К.

а

А £

{'и

" кпсв - кпсЕ + кнсв

-- К5СВ - к6с0 - кисв + кпсЕ

(2)

ж

Решение данной системы уравнений при известных константах переходов К; позволяет найти изменение концентраций С в стадиях В, И и Е во времени 1 Графическое представление решения численными методами данной

системы уравнений показано на рисунке 8. %

(ЛИ* с

Время

Рис. 8. Кинетические зависимости виброфлотационного процесса (СвО), СеО),

Св(ф.

В четвертой главе «Выбор и оптимизация режима вибровоздействия» приведена разработанная методика выбора режима вибро воздействия для диспергирования газовой фазы и коалесценции микрофлотокомплексов. Описано экспериментальное исследование флотационных процессов как многостадийных, включающих в себя: диспергирование и коалесценцию пузырьков воздуха, истечение воздуха из аэратора, образование флотокомплексов и их всплытие в пенный слой.

При изучении воздействия вибрации на скорость всплытия пузырей воздуха показано, что в зависимости от уровня виброускорения и частоты колебаний поведение газовой фазы может значительно изменяться. Было предположено, что частота, на которой имеет место эффект, является резонансной частотой флотационной колонны. В таком случае, значения частот и уровней вибровоздействия могут быть выбраны и оптимизированы. Для этого были определены амплитудно-частотные спектры заданной конфигурации колонны в сборе с различными типами аэраторов, представленные на рис. 9.

На рис. 9 показан уровень виброускорения задающего канала и отклик, то есть показания гидрофона. Абсолютные значения не определяются, так как они будут варьироваться в зависимости от того, какой уровень виброускорения задан генератором. Для анализа спектров необходимо выделить различия в показаниях между двумя каналами: задающим и измерительным. Акселерометр задающего канала закреплялся на дне колонны. Таким образом обеспечивался синусоидальный сигнал заданного уровня и частоты в нижней точке колонны.

В качестве измерительного канала использовался гидрофон, погруженный на одну и ту же глубину.

Разлитая между спектром задающего и измерительного канала (в форме явно выраженных пиков) характеризуют передаточную характеристику колонны, как совокупности элементарных колебательных систем пики в канале гидрофона. Для каждой из этап колебательных систем имеют место свои резонансные частоты: для корпуса колонны, для аэратора, для пузырьков воздуха определенного размера и.т.д.

х

си

о_

О

и

° я х

X 03

Частота, Гц

Рис. 9. Амплитудно-частотные спектры колонны в сборе с различными аэраторами. (1) - аэратор типа 1, (2) - аэратор типа 2, (3) - аэратор типа 3. На спектрах снизу черным цветом показан заданный сигнал, а сверху серым -показания гидрофона.

Следует отметить средний график на котором основная резонансная частота близка к 170, а дополнительные -120 и 55 Гц.

При изучения поведения газовой фазы на резонансных частотах было отмечено, что эффект влияния вибрации на скорость всплытия пузырька проявляется наиболее явно на самом острие пика, в то время как у основания пика обнаруживается эффект диспергирования, который с увеличением частоты, либо уровня сменяется эффектом замедления скорости всплытия, вплоть до полной остановки и изменения направления движения.

Таким образом, имеют место фазы процесса,

представленные на рис. 10. Если разворачивать частоту, то в начале никакого эффекта проявляться не будет, затем происходит

диспергирование пузырьков, после чего -образование кластеров и снижение скорости всплытия, а затем потопление кластеров и сбор пузырьков на дне колонны. При дальнейшем разворачивании частоты происходят те же процессы, только в обратном порядке.

Следует отметить, что описанные эффекты зависят не только от частоты, но и от уровня вибровоздействия, с увеличением которого полоса 4й фазы становится шире.

В этом случае, при поиске оптимального режима неточность настройки частоты можно компенсировать повышенным уровнем виброускорения, и, наоборот, уровень вибровоздействия может быть снижен путем более точного установления частоты возбуждения.

Таким образом, при оказании вибровоздействия на аэратор на заданных частотах (определяемых экспериментально) возможно добиться существенного диспергирования пузырьков воздуха.

Эти же правила применимы и для коалесценции пузырьков. Однако требуется включение установки по схеме Б, когда вибровоздействие передается на поршень, установленный над аэратором. Для нее также производится виброакустический анализ. Например, при проведении экспериментов был получен пик на амплитудно-частотном спектре в районе 360 Гц. На данной частоте наблюдался эффект коалесценции.

На основании поставленных опытов предлагается следующий порядок выбора режима вибровоздействия для диспергирования или коалесценции пузырей воздуха:

Хароктерная

моетота сэротооо

Рис. 10. Фазы воздействия вибрации на газовоздушную смесь.

I - Эффекты не проявляются

II - Имеет место диспергирование пузырьков воздуха

III - Образуются кластеры и уменьшается скорость всплытия

IV - Потопление кластеров и сбор пузырьков у дна колонны.

1. Выбрать схему включения флотомашины:

a. Для диспергирования пузырьков воздуха осуществлять вибровоздействие по схеме Г, когда вибрация передается на аэратор. В исключительных случаях допускается оказывать вибровоздействие на всю флотомашину.

b. Дта коалесценции микрофлотокомплексов осуществлять вибровоздействие по схеме Б, когда вибрация передается на поршень, установленный над аэратором.

2. Определить амплитудно-частотный спектр флотомашины.

3. Выбрать основную резонансную частоту.

4. Выбрать уровень виброускорения, достаточный для проявления эффектов диспергирования и коалесценции во флотомашине (уровни виброускорения не должны превышать 5 и 10 g соответственно).

Такой порядок позволит определять необходимые уровни виброускорения и выбирать режим вибровоздействия для достижения эффектов диспергирования пузырьков воздуха и коалесценции микрофлотокомплексов в разрабатываемых виброфлотомашинах.

Важное значение в оценке эффективности флотационного процесса имеет определение размера пузырьков воздуха, которые участвуют в образовании флотокомплексов частица-пузырек и их всплытии в пенный слой.

= -= 0,29 mm С3)

м

Так, при исследовании истечения воздуха из аэратора было впервые предложено в качестве критерия, характеризующего размер образующихся пузырей воздуха, использовать средний диаметр флотационных пузырьков воздуха, образующихся при вибродиспергировании газовой фазы. Для его нахождения предлагается использовать формулу (3), где

di - диаметр пузырька воздуха, производимый данным аэратором; т, - количество пузырьков воздуха данного диаметра. Данный подход позволяет более точно отображать действительное распределение пузырьков воздуха, которое имеет место быть при использовании данных типов аэраторов.

Кроме того, при исследовании истечения воздуха через аэратор при наложенных вибрационных воздействиях было обнаружено снижение гидравлического сопротивления аэратора и, соответственно, увеличение расхода воздуха через аэратор при прочих неизменных параметрах.

При исследовании диспергирования пузырей воздуха было установлено существенное влияние воздействия вибрации на размер пузырей воздуха.

На рис. 11 представлено распределение пузырей по количеству в зависимости от их размера и от частоты вибровоздействия. В частности, без вибрации количество пузырей воздуха размером 0,1 мм составляет 300 единиц, размером 0,2 мм - 150 единиц и т.д. При наложении вибровоздействия частотой

, -,/л I_________________________„,..4 ............... . п 1 ......-.....-........................11ЛП ............ .. (1 *1

1 /и 1Ц 1\и.1)Г11,^1ну jDipv.il j'Uw, i jnwuniiDil^ll'A дм I.. 1111 llm, a u.z. —

до 780 единиц. Аналогично, но в меньшей степени характерно изменение для частот 120 и 55 Гц. При этом режим работы компрессора не изменялся, равно как и не изменялись никакие прочие параметры.

о

О 10 20 1С 4С ЬО 60 ВО 90 ЮС 1Ю 120 110 140 150 1 60 1 70 1 30 100 200 210 2?0 230

Частота, Гц

Рис. 11. Распределение пузырей воздуха по количеству в зависимости от их размера и частоты вибровоздействия.

Таким образом, в данной главе показано, что для каждого процесса виброфлотации имеют место основная и дополнительные характерные частоты, на которых диспергирование пузырьков воздуха происходит наиболее эффективно.

Однако было замечено, что на некоторых частотах вибрационного воздействия имеет место коалесценция пузырей воздуха. В частности, это видно на рис. 12, на котором показано распределение пузырьков воздуха по количеству в зависимости от их размера и от частоты вибровоздействия.

1200 -

§

2 О.

2

ь

с

0

1

3

К

1

\ 170 Гц у

\ 120 Гц < / , ......... .................. ..... ;

I і 1 1

Л \ 55 Гц

/.................................. і

О 0,2 0.4 0,6 О.в 1 1.2 1,4 1,6 1,8 2

Размер пузырьков, мм

Рис. 12. Распределение пузырей воздуха по количеству в зависимости от их размера и частоты вибровоздействия для основных резонансных частот.

На рис. 12 следует обратить внимание на область на оси абсцисс в интервале от 0,3 до 0,5 мм, на которой кривая 55 Гц находится выше остальных.

Это показывает, что на данной частоте происходит коалесценция пузырьков, особенно сильная и заметная в области крупных пузырьков (от 1 мм и более).

Если для данного случая посчитать средний размер флотационных пузырьков воздуха, то получится, что при частоте 55 Гц он составляет 0,22 мм, при частоте 120 Гц - 0,17 мм, а при частоте 170 Гц - 0,16 мм. (средний размер флотационных пузырьков воздуха без вибрации составлял 0,28мм).

Кроме того, было показано, что коалесценция имеет место при использовании поршня как источника вибровозмущений в водовоздушной среде. Так, на частоте 360 Гц диаметр пузырьков воздуха в лабораторной установке увеличился в 7-10 раз. Данный процесс связан с коалесценцией пузырьков воздуха именно на вибрирующем с заданной частотой поршня.

В пятой главе «Экспериментальное исследование воздействия вибрации на флотацию и подтверждение математической модели»

приведены результаты серии экспериментов для подтверждения разработанных математических моделей.

Для подтверждения разработанной математической модели флотации с учетом виброкоалесценции и вибродиспергирования пузырьков воздуха был проведен ряд экспериментов.

Для виброфлотации стока Московского НПЗ были рассчитаны все необходимые константы переходов К( и для них решена система уравнений (1). Расчеты велись совместно с кафедрой вычислительной техники и математической физики ФН-11 МГТУ им. Н.Э. Баумана. Они осуществлялись на трех программных продуктах: ЭгаГаЬ, МайЬаЬ и МаЙ^САВ. В программном комплексе МаЛСАО данные системы уравнений (1) с заданными константами переходов были решены численно и аналитически. Во всех случаях решение было одинаковым.

Графическое решение системы уравнений (1) представлено на рис. 13.

Линиями на рис. 13 показаны теоретические данные, а точками соответствующие результаты экспериментов.

Исходная концентрация

нефтепродуктов в стоке НПЗ составляла 16.5 мг/л.

Очевидно хорошее совпадение теоретических данных с экспериментом. Время флотации при этом составляет 600 с (10 минут), за которые концентрация снизилась с 16.5 мг/л до 0,8 мг/л. Виброфлотация стока Московского НПЗ производилась на установке для флотации модельного стока.

грэфиш слух сад, сад со»

Время, с

Рис. 13. Сравнение теоретических и экспериментальных данных по виброфлотацгт стока НПЗ.

Z<1> - время, с; 7?г> - концентрация нефтепродуктов в очищаемом стоке; и Т4>

содержание флотокомплексов; концентрация нефтепродуктов в пенном слос. Линиями показаны теоретические данные, точками - результаты экспериментов.

аш

500

і «Ж

к»

ШШшШ^

" шмш

Исходный

сток

Флотация 15 шн

Флопшзія с

ФлоташЕЯ с впбраішей 15 шв

Для качественного подтверждения эффективности вибрационной интенсификации пневматической флотации был поставлен эксперимент на стоке лакокрасочного предприятия, который был выбран как наиболее трудный для очистки. Результаты эксперимента представлены на рис. 14.

Из рисунка видно, что мутность исходного стока составляла 1840 N111, мутность стока после очистки - 330 КТО. Таким образом, очевидно, что удалось добиться снижения мутности с 1840 единиц до 330.

Стоит отметить, что существенного различия в типе пробы на результате не отмечено, те нерастворенные частицы загрязнений, которые попали в пробу, отобранную после

перемешивания, остались и осадились в стоке и после флотации. Время флотации с вибрацией составляло 10 минут, после которого количество производимой пены было незначительно, увеличение времени флотации еще на 5 минут привели лишь к незначительному улучшению результатов.

Время флотации без вибрации составляло 5 минут, по истечении которых пена также уже практически не производилась, однако флотация проводилась еще в течение 10 минут. Стоит отметить, что если после завершения флотации в режиме без вибрации ее добавить в заданном режиме, пена снова начинала производиться, а сток, соответственно, продолжал флотироваться.

Таким образом показана высокая эффективность применения виброфлотационной очистки сточных вод.

На основе данных экспериментов была разработана установка с подготовкой водовоздушной смеси, на которую был получен патент РФ на полезную модель.

10 мыя

Рис. 14. Результаты виброфлотации стока лакокрасочного предприятия. По оси ординат - нефелометрические единицы мутности.

В шестой главе «Методика расчета виброфлотационного аппарата»

приведена разработанная методика расчета аппарата для вибрационной пневматической очистки сточных вод от нефтепродуктов и прочих гидрофобных загрязнений, а также приведен пример расчета виброфлотомашины.

Методика расчета виброфлотомашины заключается в следующем: изначально задаются исходная концентрация загрязнителя, требуемая степень очистки и производительность виброфлотомашины. Затем решаются системы дифференциальных уравнений, описывающих процесс виброфлотации для диспергирования (1) и коалесценции (2).

Значения констант рассчитываются по следующим формулам:

V - Г -1-5(1Е

• ■л,—л3 — , тг- , где я - скорость барботирования; Е -

О с/

эффективность захвата частиц вспльшающим пузырьком газа при флотации;

- средний диаметр флотационных пузырьков во флотокамере. Для его определения необходимо воспользоваться разработанной в настоящей работе и представленной выше методикой, ко - фактор полидисперсности пузырьков.

• 2 ~ 4 — Сг , где п - концентрация флотокомплексов

£/у

частица-пузырек; р - плотность жидкости; V - кинематическая вязкость суспензии; в - градиент скорости; р, т - коэффициенты (1<р<2; т= Уз); с! -диаметр частицы твердой фазы; М - отношение диаметра частицы к диаметру пузырька; Е - эффективность захвата частиц всплывающим пузырьком газа; N -параметр, характеризующий прочность связи между частицей и пузырьком газа. Однако для данного случая константы Кг и К4 равны нулю.

Г - V _ Уг

. Л5 — Л7 - Где у _ скорость подъема флотокомплекса; Ь -п

расстояние от зоны аэрации до пенного слоя (глубина флотокамеры).

• К6 = АГ8 = • Ор • Ср • , где: Р -коэффициент пропорциональности;

С1Р- градиент скоростей в подпенном слое; Ср - концентрация пузырьков в пене; с1т - средний диаметр флотационных пузырьков воздуха в пене. Дм данного случая константы К& и К8 также равны нулю.

• К9 = —, где -Оос- скорость осаждения частиц твердой фазы.

/г

K»-D±\ 1

дхХг

(x-hf expl -i---'-

-exp

jx + hf) 4Dt

, где I - время, X

- текущее расстояние от границы пенного слоя, В - коэффициент диффузии частиц твердой фазы в жидкости.

• Кп = ; где в-эффективный градиент сдвига гидродинамического

Ъж

поля: б -\jqglv , g - ускорение сил тяжести; V - кинематическая вязкость жидкости; ц - скорость барботажа; а - эффективность коалесценции; ф-объемная доля газовой фазы. Константы К12 и Км в данном случае также равны нулю.

V01 г

• Кп = —1—; Где Про/ - скорость подъема объединенного флотокомплекса.

}1

ría основании полученных решений определяйся время флотации (как сумма времени диспергирования и времени коалесценции) путем подстановки в решение исходных данных. Для данной установки было получено время флотации с диспергированием - 7 минут, а время флотации с коалесценцией - 6 минут. То есть, полное время флотации - 13 минут.

Значение времени флотации определяется нахождением участка функции Са(0 графического решения системы уравнений, на котором ее отиосительное стандартное отклонение не превышает 5% за промежуток времени ~5 мин.

Затем рассчитывается требуемый объем камер диспергирования и коалесценции как произведение требуемой производительности и времени флотации.

1

<2-1

2-13

60-(1-а) 60(1-0,2

« 0,54 м\ где а = 0,2-коэффицпент аэрации.

После этого задается скорость движения жидкости в аппарате. Согласно требованиям нормативной документации данная

скорость не должна превышать 5 мм/с. Затем определяется площадь

сечения аппарата как отношение требуемой

производительности II

скорости движения жидкости.

5 =

62-1000 и 1'ЗЬОО

0,55м2

После этого задается высота аппарата (Н = 1 м) п, исходя из этого,

определяются габариты аппарата.

2 3 4 5 6 \7„

Рис. 15. Установка флотационная с диспергированием в корпусе аппарата. А - подача исходной воды, В - выход очищенной воды.

1 - вибро стенды, 2 - флотационная камера диспергирования, 3 - аэратор, с помощью тяги соединенный с впбростендом, 4 - поршень, с помощью тяги соединенный с вибростендом, 5 - флотационная камера коалесценции, 6 - блок тонкослойного осветления, 7 - корпус аппарата.

В =

■У ^ 0,55 Н= 1

= 0,55 в

IV 0,54 = 5 ~ 0,55 =

Затем выбираются варианты подвода и отвода воды, а также способ удаления пены, после чего с учетом требований технологичности разрабатывается конструкция аппарата.

На основании данной методики была разработана флотационная установка с диспергированием в корпусе аппарата. Схема аппарата представлена на рис. 15.

Принцип ее работы заключается в том, что исходная вода подается сначала в камеру диспергирования, где происходит первый этап флотации, а затем в камеру коалесценции, где мелкие флотокомплексы коалесцируют и всплывают, тем самым повышая эффективность очистки. Вибростевды (или прочие устройства для создания вибрации) устанавливаются сверху на корпус флотомашины. Таким образом, могут быть усовершенствованы уже существующие флотационные аппараты.

\ 1

>Г А 1 .-г—— .....-----------

V. А"! ......

\ / 1

X 1

/ чИ

•

/« а» | «■ 7»

/--- /

м«»

I

Л/с. /б.

Сравнение теоретических и экспериментальных данных по виброфлотации стока автомоечтго комплекса в разработанной флотомашине в блоке диспергирования

- время, с; - концентрация

нефтепродуктов в очищаемом стоке; и Т А>

содержание флотокомплексов; И~ъ> концентрация нефтепродуктов в пенном слое. Линиями показаны теоретические данные, точками - результаты экспериментов.

Для конструирования данного • аппарата была использована разработанная математическая модель.

Соответственно, вначале производился расчет для камеры диспергирования, а затем - для камеры коалесценции. При расчете флотации с диспергированием использовалась математическая модель для флотации с

диспергированием. Для нее были рассчитаны все необходимые константы переходов К и решена система уравнений. Решение

представлено на рис. 16.

Теоретические данные были также подтверждены экспериментально. Для этого использовался сток

автомоечного комплекса. Как

видно из рис. 16, имеет место хорошее совпадение теоретических данных с экспериментальными. Время флотации с диспергированием при этом составляет 7 минут, по истечении которых содержаще нефтепродуктов снизилось с 2,5 до 0,8. Содержание не всплывших флотокомплексов при этом составляет еще 0,079 мг/л. Для ускорения их всплытия они коалесцируются, для чего вода направляется в камеру коалесценции.

Расчет для камера коалесценции производился с использованием рассмотренной выше модели флотационного процесса. При этом использовалась математическая модель для флотации с коалесценцией. Для нее были рассчитаны все необходимые константы переходов К с учетом результатов полученных в ходе решения обратной задачи, и решена система уравнений. Решение

9 т 1 --V?

Время

Рис. 17. Сравнение теоретических и экспериментальных данных по виброфлотации стока автомоечного компчекса в разработанной флотомашине в блоке коалесиениии £ - время, с; £

нефтепродуктов в очищаемом стоке; % концентратом укрупненных флотокомплексов;

- концентрация нефтепродуктов в пенном слое. Линиями показаны теоретические данные, точками - результаты экспериментов.

концентрация

<3>

представлено на рис. 17.

Теоретические данные были также подтверждены экспериментально. Как видно из рис. 17, имеет место хорошее совпадение теоретических данных с экспериментальными. Время флотации с коалесценцией составляет 6 минут, по истечении которых содержание флотокомплексов снизилось до 5го порядка малости.

Таким образом, общее время очистки составило 13 минут.

Для обоспованпя режима вибровоздействия для данной флотационной установки был замерен амплитудно-частотный спектр. Основной пик приходится на 95 Гц. На данной частоте и осуществлялось вибровоздействие во флотационном аппарате.

Таким образом, на основании этих данных была разработана и испытана виброфлото-машина.

В седьмой главе «Оценка предотвращенного экологического ущерба, технико-экономическое обоснование внедрении виброфлотомашины и рекомендации для ее внедрения» показано сравнение виброфлотационного способа очистки с прочими способами (напорной, пневматической, механической и электрофлотации) по следующим показателям: время флотации, металлоемкость, примерная стоимость оборудования, потребление электроэнергии и остаточная концентрация.

Кроме того, приведена оценка предотвращенного экологического ущерба от сброса недоочшценпых нефтесодержащих сточных вод при внедрении предлагаемого способа виброфлотационной очистки. Она показала, что при внедрении одной виброфлотомашины производительностью 5 м'/час на автомоечном комплексе «Измайлово», г. Москва сумма предотвращенного ущерба составит 140 тыс. руб. в год.

При этом отмечается снижение стоимости виброфлотомашины по сравнению с аналогами, такими как: пневматическая флотация, механическая флотация, электрофлотация и напорная флотация. Показано, что при равной эффективности очистки затраты на виброфлотацию на 27% от общей стоимости ниже, чем для пневмофлотации.

Впороф.'ютация Пневматическая Механическая Напорная Электрофлотация флотация флотация флотация 1. Прем» ф.шінішп, М1ІІІ

]м 15 :о -.) ЇІІ. .41) id .-II W 50

2. Mi'i.i.i.ini'mm'i'ii. ф. кнішшіиііілч млінні, кі/«1 150 200 300 200 400

1. ІІрНМІ'ріІ.ІІІ СІІІІІМОІ III (>|><>|1\.1(Ш.|НШ! (I Ml. P>i> H.I J M К>Г>. «ЧІ11Ц.ІІМІІІ1

¡1 ill..............¡11liiii 1.........................

о" Ції) Ті) і>0 .100

4. Ii(ii]it'ij.ii'iinc ).іскірііі]іс])і іш. кііі.'м ин yniii.iii.m прокачки поїм) п.? II 1 C.2 Ill, 1 - .4 11.2 0.4 ^ . ('

4. ( 1l-i:ll»'lii.iu кііпік'ііірации, чім

і і., і. і» і і іо 12

Таблица I. Сравнение технико-экономических характеристик различных методов флотационной очистки сточных вод.

Сравнение методов флотационной очистки сточных вод представлено в таблице 1.

Из данных таблицы 1 видно, что время виброфлотации значительно меньше времени флотации прочими известными методами. Примерная стоимость оборудования и металлоемкость для внброфлотации также ниже, чем для прочих способов флотационной очистки. При этом остаточная концентрация меньше, чем у пневматической, напорной и механической флотации и сравнима с электрофлотацией.

Таким образом, очевидна экономическая целесообразность применения виброфлотацци для очистки гидрофобных загрязнений.

Выданы практические рекомендации ООО «Водные технологии и промышленная безопасность» по усовершенствованию систем оборотного водопользования на Московском НПЗ. Виброфлотомашины заложены в проектные решения локальных очистных сооружений автоцентра «Измайлово» (г. Москва).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые проведено комплексное исследование влияния вибрации на флотационный процесс на основе многостадийной модели флотации.

2. Разработана математическая модель виброфлотационного процесса, включающего диспергирование газовой фазы и коалесценцию микрофлотокомплексов.

3. Определены оптимальные режимы вибровоздействпй на процесс виброфлотаиионной очистки нефтесодержащих сточных вод. Показано, что имеют место резонансные эффекты во флотационной колонне.

4. Экспериментально подтверждена модель виброфлотации на примере очистки стоков нефтесодержащих сточных вод различных производств.

5. Установлено, что воздействие вибрации позволяет сократить время флотации до 10. ..15 минут, что в 1,5-2 раза меньше времени флотации без воздействия вибрации.

6. Разработана научно-обоснованная методика расчета виброфлотомашины.

7. Разработана и защищена патентом РФ на полезную модель виброфлотомашина для очистки нефтесодержащих сточных вод.

8. Выданы практические рекомендации по реконструкции существующей флотационной техники и проектировании виброфлотомашин оригинальной конструкции.

9. Проведена оценка предотвращенного экологического ущерба окружающей среде с учетом использования виброфлотационнои очистки нефтесодержащих сточных вод.

ПУБЛИКАЦИИ

Список публикаций в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК

1. Ксенофонтов Б. С., Иванов М. В., Геворкян Р. Э., Флотационная очистка сточных вод с использованием вибровоздействий, Безопасность жизнедеятельности, 2011, №9, с. 32-37.

2. Ксенофонтов Б. С., Иванов М. В. Исследование влияния вибрации на флотационную обработку сточных вод. // Электронное научно-техническое издание Наука и Образование, №10, октябрь 2011.

3. Ксенофонтов Б. С ., Иванов М. В Интенсификация флотационной очистки в оборотных системах водопользования с использованием вибровоздействий. // Электронное научно-техническое издание Наука и Образование, №2, февраль 2012. Издание на англ. языке: Ksenofontov В.S., Ivanov M. V. Intensification of Waste Water Flotation Treatment by Vibration Excitement for Water Recycling // Electronic scientific and technical periodical Science and Education, №2, February, 2012

4. Ксенофонтов Б. С., Иванов M. В., Пути интенсификации флотационного процесса очистки сточных вод с использованием вибрации. // Экология промышленного производства межотраслевой научно-практических журнал, 2012, №1, с. 41-44

Прочие публикации по теме диссертации

5. Ксенофонтов Б. С., Иванов М. В . Интенсификация флотационного процесса очистки сточных вод с использованием вибровоздействий. // Экология и охрана труда, №1-2 2011,10-16 стр.

6. Ксенофонтов Б. С ., Иванов М, В . Исследование влияния вибровоздействия на процессы аэрации и флотации // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение 2011/9 (45) стр. 12-20

7. Иванов М. В., Байрамова А. Д., Исследование влияния вибрации на распределение размера аэрируемых пузырьков воздуха при флотации. // Сборник статей участников Молодежной научно-инженерной выставки «Полнтехннка» - 2011, стр. 23-25

8. Иванов М. В., Геворкян Р. Э. Исследование методов изменения скорости всплытия воздушных пузырьков в воде. // Сборник статей Студенческой конференции «Научная весна 2011»

9. Иванов М. В ., Исследование методов изменения скорости всплытия воздушных пузырьков в воде. // Сборник статей Студенческой конференции «Научная весна 2010»

Патенты

10. Патент на полезную модель № 113519. Флотационная установка для очистки сточных вод.//Б. С. Ксенофонтов, М.В. Иванов. Заяв. 13.07.2011 №2011129077

Подписано в печать 21 марта 2012 г. Формат 60x90/16. Объём 1 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 21031215

Оттиражировано на ризографе в ООО «УниверПринт» ИНН/КПП 7728572912У772801001 Адрес: 105066, г. Москва, Лефортовский пер., дом 8. корпус 2. Тел. 728-97-17, +7(499)261-78-22. http://www.oolinecopy.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Иванов, Михаил Витальевич, Москва

61 12-5/2351

Московский Государственный Технический Университет им. Н. Э.

Баумана

На правах рукописи

Иванов Михаил Витальевич

Виброфлотационная очистка сточных вод как способ уменьшения экологического ущерба окружающей среде.

Специальность 03.02.08 - «Экология (в химии и нефтехимии)»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Ксенофонтов Б. С.

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение. ^

Глава 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований 11

1.1. Воздействие сброса неочищенных сточных вод на 11 окружающую среду.

1.1.1. Источники загрязнения сточных вод 16 нефтепродуктами.

1.1.2. Последствия сброса сточных вод в водоемы. 17

1.2. Основы флотационной очистки сточных вод 19

1.3. Способы интенсификации флотационной очистки 24 сточных вод.

1.4. Выводы по главе 1. Постановка цели и задач 35 исследований

Глава 2. Методики проведения исследований 37

виброфлотационной очистки сточных вод

2.1. Установки для исследования процессов воздействия 37 вибрации на флотацию

2.1.1. Сравнение режимов работы различных аэраторов 45 при вибрационном воздействии

2.2. Лабораторные аппараты для виброфлотации 47

2.2.1. Установка для исследования модельного стока 47

2.2.2. Установка для виброфлотации стока автомоечного 48 комплекса

2.2.3. Установка для виброфлотации стока лакокрасочного 50 производства

2.3. Определение частоты и уровня вибровоздействия при 52 флотации

2.4. Установка для определения скорости всплытия 52 пузырьков воздуха

2.5. Определение загрязнений в сточных водах. 55

2.6. Обработка экспериментальных данных 57

2.7. Выводы по главе 2. 58 Глава 3. Теоретические исследования виброфлотационной 59 очистки сточных вод

3.1. Математическая модель виброфлотации с учетом 60 диспергирования газовой фазы.

3.1.1. Описание модели 60

3.1.2. Нахождение кинетических констант 62

3.2. Математическая модель виброфлотации с учетом 70 коалесценции микрофлотокомплексов.

3.2.1. Описание модели 70

3.2.2. Нахождение кинетических констант 72

3.3. Выводы по главе 3. 74 Глава 4. Выбор и оптимизация режима вибровоздействия 75

4.1. Выбор режима вибровоздействия 75

4.2. Экспериментальное исследование процесса 84 виброфлотации как многостадийного.

4.2.1. Воздействие вибрации на увеличение интенсивности 84 барботажа воздуха.

4.2.2. Сравнение воздействия вибрации на режимы работы 87 различных аэраторов.

4.2.3. Воздействие вибрации на коалесценцию и 89 диспергирование пузырьков воздуха.

4.2.4. Исследование распределения пузырьков воздуха по 91 размеру без воздействия вибрации

4.2.5. Исследование распределения пузырей воздуха по 94 размеру при воздействии вибрации

4.2.6. Исследование воздействия вибрации на скорость 97 всплытия пузырей воздуха

4.3. Выводы по главе 4. 100

Глава 5. Экспериментальное исследование воздействия 101 вибрации на флотацию и подтверждение математической модели

5.1. Экспериментальная проверка математической модели 101 виброфлотации

5.1.1. Виброфлотационная очистка сточных вод 101 модельных сточных вод.

5.1.2. Виброфлотационная очистка сточных вод сточных 105 вод Московского НПЗ

5.1.2. Виброфлотационная очистка сточных вод 106 лакокрасочного предприятия

5.2. Выводы по главе 5. 109 Глава 6. Методика расчета виброфлотомашины 110 Глава 7. Оценка предотвращенного экологического 123 ущерба, технико-экономическое обоснование внедрения виброфлотомашины и рекомендации для ее внедрения

7.1. Оценка предотвращенного ущерба 123

7.2. Технико-экономическое обоснование внедрения 126 виброфлотомашины

7.2.1 Капитальные затраты 126

7.2.2 Эксплуатационные затраты 129

7.2.3. Эффективность очистки, производительность, 131 габаритные размеры и время флотации

7.2.4. Сравнение методов флотационной очистки 133

7.3. Практические рекомендации 134

7.4. Выводы по главе 7. 135 Общие выводы 136 Список литературы 137 Приложение № 1. Программы для математического расчета 150

процессов виброфлотации с учетом диспергирования и коалесценции

Приложение №2. Современные методы и средства очистки 162 сточных вод от нефтепродуктов, жиров и прочих гидрофобных загрязнений и основы флотационной очистки.

Приложение №3. Результаты измерения размеров 180

пузырьков воздуха

Приложение №4. Протоколы проведения измерений 183

загрязнений

Приложение №5. Копия патента на полезную модель 195

Приложение №6. Справка о выдаче рекомендаций 199

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

В настоящее время с ростом промышленности, малого и среднего бизнеса остро стоят вопросы переработки отходов, как твердых, так и жидких, особенно в области очистки сточных вод. Это связано с тем, что большое количество сточной воды сбрасывается в поверхностные водные объекты недоочищенными Согласно государственным докладам о состоянии и об охране окружающей среды за 2006-2010 года их доля в общем объеме сбрасываемых сточных вод достигает 40%. Актуальна высокоэффективная очистка нефтесодержащих сточных вод, получаемых от увеличения объемов добычи и переработки нефти и нефтепродуктов, от все более интенсивной эксплуатации автотранспортных средств и от прочих источников.

При этом требования к очищенной воде представляются достаточно строгими, и на практике в большинстве случаев не удается достигнуть нормативного качества очищенных сточных вод. В этой связи важнейшее значение имеет разработка новых способов и устройств для очистки производственных сточных вод.

Широкое распространение в очистке нефтесодержащих сточных вод получила флотационная техника. Однако ее применение не всегда оказывается эффективным. К настоящему времени было разработано много способов интенсификации флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод. Однако не всегда использование флотационных способов приводит к получению желаемого результата.

Одним из наименее изученных в области очистки сточных вод и, по нашему мнению, перспективных методов является

использование вибрационного воздействия на процесс флотации. Как показали результаты предварительных исследований, интенсификация флотационной очистки сточных вод, загрязненных нефтепродуктами и прочими гидрофобными загрязнениями, методом вибрационного воздействия представляет важную научно-практическую задачу.

Проведенные исследования базировались на трудах ведущих ученых в области теоретических и экспериментальных методов исследования процессов и аппаратов разделения неоднородных систем, в частности Адельшина А. Б., Баранова Д. А., Белоглазова К. Ф., Бирюкова В. В., Блехмана И. И., Танеева Р.Ф., Гонопольского А. М., Ксенофонтова Б.С., Классена В.И., Кубенко В.Д., Мещерякова Н. Ф., Рубинштейна Ю. Б., Рулева Н. Н., Систера В. Г., Яковлева С. В. и целого ряда других ученых. При этом изучался не только отечественный, но и мировой опыт в данной области, и анализировались наработки компаний \¥етсо, Вгие1 & К]аег и др.

Целью настоящей работы является исследование флотационного процесса с учетом явлений диспергирования пузырьков воздуха и коалесценции флотокомплексов под влиянием вибрационного воздействия и разработка методики расчета виброф лотомашины.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована планированием необходимого объема экспериментов, построением математической модели эксперимента с применением методов корреляционного и регрессивного анализа, удовлетворительной сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и опытно-промышленных условиях, использованием современных

аттестованных средств измерений показателей. Экспериментальные данные, полученные на модельных установках, соответствуют результатам, полученным на опытно-промышленной установке.

Научная новизна:

1. впервые комплексно описан процесс многостадийной

флотации для различных видов загрязнений с учетом явлений диспергирования пузырьков воздуха и коалесценции флотокомплексов, учитывающий основные факторы, действующие на флотацию и основные процессы, проходящие во время флотации;

2. впервые разработана виброфлотомашина с

диспергированием в корпусе аппарата;

3. усовершенствована методика определения

эффективного размера пузыря воздуха;

4. разработана методика расчета виброфлотомашины с

диспергированием в корпусе аппарата.

Основные положения научной новизны защищены патентом на

полезную модель (Приложение №5).

Практическое значение работы:

Результаты выполненных исследований использованы для расчета времени виброфлотации с учетом явлений диспергирования пузырьков воздуха и коалесценции флотокомплексов.

Разработана методика расчета многостадийного процесса флотации с учетом диспергирования и коалесценции.

Разработана виброфлотомашина с диспергированием в корпусе аппарата, что позволило создать новый тип высокоэффективной техники с широким диапазоном необходимой степени очистки сточных вод для различного использования. Разработанная

виброфлотомашина заложена в проект локальных очистных сооружений автоцентра «Измайлово» (г. Москва) с целью повышения их удельной производительности.

Выданы практические рекомендации по усовершенствованию оборотной системы водопользования на предприятии Газпромнефть - Московский НПЗ исполнителю работ ООО «Водные технологии и промышленная безопасность».

Положения, выносимые на защиту:

1. модель многостадийного процесса вибрационной флотации;

2. результаты исследования влияния вибрации на флотационный процесс очистки нефтесодержащих сточных вод;

3. методика расчета виброфлотомашины;

4. оригинальная виброфлотомашина, защищенная патентом РФ

на полезную модель;

5. технико-экономическая оценка виброфлотационного способа

очистки нефтесодержащих сточных вод и рекомендации для его практического использования.

Апробация и публикации результатов работы.

Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на общеуниверситетской научно-технической конференции «Студенческая научная весна - 2009»; «Студенческая научная весна - 2010»; Всероссийской молодежной научно-инженерной выставке «Политехника» - 2011, на международной выставке и конгрессе «Вода: экология и технология» ЭКВАТЭК-2010, а также на заседании круглого стола в рамках «Недели горняка - 2012», на конференциях в университете г. Генуи, Италия и университете Миддлсекс, Великобритания.

По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных статей, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК - 4 работы; получен патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации.

Диссертация изложена на 148 страницах основного текста, включает 11 таблиц, 45 рисунков и состоит из введения, 7 глав, выводов, библиографического списка, состоящего из 119 наименований и 6 приложений. В приложениях представлены копии документов экспериментальных исследований, подтверждающие достоверность результатов работы и ее практическую значимость.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Воздействие сброса неочищенных сточных вод на

окружающую среду.

На протяжении последних лет в России прослеживается тенденция к уменьшению количественных характеристик антропогенной нагрузки на окружающую среду, а именно: сокращение валовых выбросов в атмосферный воздух от стационарных источников, уменьшение объемов водопотребления и водоотведения, сбросов сточных вод в поверхностные водоемы.

Анализ экологической обстановки в Российской Федерации [1, 2, 3, 4] и динамика ее изменения свидетельствуют о том, что большинство компонентов природной среды подвергается негативному воздействию в результате невыполнения или несвоевременного проведения природоохранных мероприятий из-за сложностей финансирования, недооценки руководителями различных уровней остроты складывающейся экологической ситуации, недостаточной эффективности имеющихся природоохранных сооружений, нарушений природоохранного законодательства.

Согласно данным управления Роспотребнадзора анализ качества воды и водных объектов свидетельствует о том, что превышения гигиенических нормативов отмечаются по нефтепродуктам, по органическим веществам и по взвешенным веществам.

Большое количество предприятий сбрасывают сточные воды в поверхностные водные объекты неочищенными. При этом данные предприятия и организации либо вообще не имеют очистные

сооружения, либо эксплуатируемые ими очистные сооружения

находятся в разрушенном состоянии.

По данным [5] объем сточных вод, сброшенных в поверхностные водные объекты в 2010 г., увеличился на 0,4% по сравнению с 2009 г. и составил 47 921 млн. м3. При этом сброс загрязненных сточных вод возрос на 2,4% - до 16 239 млн. м3 (33,9% от общего объема сброса сточных вод). Основной объем загрязненных сточных вод сброшен водопользователями, относящимися к отрасли производства и распределения электроэнергии, газа и воды (54,3%) и к отрасли обрабатывающих производств (16,5%) (табл. 1.1).

Таблица 1.1 Показатели водопотребления и водоотведения е

Российской Федерации в 2010 г., млн. м3

в том числе по отраслям

Показатели Всего по России Производство и распределение электроэнергии, газа и воды Сельское хозяйство, охота и лесное хозяйство Обрабатывающие производства

Забрано воды из водных объектов, всего 76497 41667 18547 5337

в том числе:

пресной воды из поверхностных источников 61648 30870 17795 4592

воды из подземных источников 9768 5276 649 726

морской воды ------— 5081 5413 0 18

Использовано воды, всего 57972 38300 8946 5067

в том числе на нужды:

хозяйственно-питьевые 10616 8501 233 545

производственные 34900 29001 144 4395

орошения 7900 39 7700 33

сельскохозяйственного водоснабжения 528 37 410 10

прочие 3740 722 459 84

Потери при транспортировке 7528 2350 4487 91

Сброшено в поверхностные водные объекты, всего 47921 33931 3715 4220

в том числе:

загрязненных 16239, 3 8817 857 2678

нормативно чистых 29680 24645 2838 835

нормативно очищенных 2002 1163 5,1 372

Объем нормативно очищенных сточных вод уменьшился с 2036 млн. м3 в 2009 г. до 2002 млн. м3 в 2010 г. Данные о сбросе загрязняющих веществ со сточными водами приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Сброс загрязняющих веществ со сточными водами,

тыс. т.

Загрязняющие вещества 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г.

Нефтепродукты 4,6 3,1 3,1 2,5 2,5

Взвешенные 327,7 311,9 291,8 254,1 253

вещества

Фосфор общий 23,3 22,6 22,1 19,3 19.7

Фенолы 0,04 0,03 0,03 0,03 0,03

СПАВ 2,3 2Д 2,2 1,9 2

Соединения меди 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

Соединения железа 8,2 7,3 6,2 6,1 6,2

Соединения цинка 0,7 0,6 0,6 0,7 0,7

По данным Росводресурсов в 2010 г. отмечен рост основных показателей водопотребления и водоотведения (рис. 1.1).

150 т

145 6 ензшза 144 4 Еивгза 143 5 ЕЗЩ^^^

|£">° 136 7 с^ыст 136,3

130 -110 -90 --

^д^З иижмшш 80 80,3 ^виаи^ ^ ^ юиотяи 76,5

70 ""

62,1 52,5 62,9 57 7 58]0

50- 31,4 :-'47,й

30 1-1-1-1—■—■—1-

2006 2007 2008 2009 2010

■"»»"»Забрано воды из водных объектов

Использовано воды -——„объем оборотного и повторного водоснабжения Сброшено в поверхностные водные объекты

Рис. 1.1 Основные показатели водопользования в Российской

Федерации, км3

Объем сброса сточных вод в поверхностные водные объекты в 2010 г. возрос на 0,2 км3, загрязненных сточных вод - на 0,3 км3.

ш загрязненные сточные веды

□ нормативно очищенные

□ нормативно чистые

Рис. 1.2 Структура водоотеедения в поверхностные водные

о

объекты, км

Объем сброса нормативно очищенных сточных вод в 2010 г. составил, как и в предыдущем году, 2,0 км3, что обусловлено перегруженностью, ухудшением технического состояния, низкой эффективностью работы очистных сооружений или их отсутствием (рис. 1.2).

В 2010 г. возрос сброс загрязненных сточных вод без очистки на

■з

0,1 км (рис. 1.З.).

-------,--,-,-,-

2006 2007 2008 2009 2010

Рис. 1.3 Динамика изменения загрязненных сточных вод, сбрасываемых в водные объекты Российской Федерации за 20062010 гг., км

1.1.1. Источники загрязнения сточных вод нефтепродуктами.

Стоки, попадающие в поверхностные воды, содержат бензин, керосин, топливные и смазочные масла, бензол, толуол, ксилолы, жирные кислоты, фенолы, глицериды, стероиды, пестициды и металлоорганические соединения. Перечисленные соединения составляют около 90% и выше от суммарного количества всех

органических примесей.

Легкие нефтепродукты (например, бензин) частично растворяются в воде, но в основном образуют с водой эмульсии, тяжелые (минеральные масла и смазки) попадают на дно водоёмов и

накапливаются в донных осадках.

В большинстве случаев бензин попадает при чистке реакторов и других ёмкостей, используемых в промышленности; обычно при этом он смешан с низкосортным керосином. Он может оказаться в канализации также при аварийных сбросах.

К минеральным маслам относятся как горючие, так и смазочные масла. Они представляют собой остатки от переработки нефти и состоят из большого числа компонентов с 18-20 и более атомами углерода в молекуле, кипящих от 350°С и выше. Смесь содержит примерно 20-25% нормальных и разветвлённых парафинов, 40-50% алкилнафтенов, 20% алкилированных ароматических углеводородов и 10% асфальтенов. Соотношение

компонентов зависит от типа масла.

Минеральные масла попадают в сточные воды многочисленными путями. Смазки и масла особенно