автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Локальная очистка сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий методом коагуляции

На правах рукописи

¿ач ^

Байбородии Артем Михайлович

ЛОКАЛЬНАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ МЕТОДОМ КОАГУЛЯЦИИ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 4 СЕН 2014

Архангельск

2014

005552183

Работа выполнена на кафедре химических технолог ий федерального государс твенного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северный (Арктический) Федеральный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Богданович Николай Иванович

Официальные оппоненты - Дягилева Алла Борисовна

Ведущая организация: Институт экологических проблем Севера УрО РАН

Защита состоится « 2 » октября 2014 г., в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.02 при ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) Федеральный университет имени М.В. Ломоносова по адресу: 163002, г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17. ауд._

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) Федеральный университет имени М.В. Ломоносова».

Автореферат разослан « » 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор химических наук, Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров, доцент кафедры охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов

Троицкая Раиса Михайловна

кандидат технических наук, руководитель научно-технического коллектива «Экология»

кандидат химических наук, доцент

Т.Э. Скребен

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Целлюлозно-бумажная промышленность занимает одно из первых мест среди других отраслей по объемам водопотребления и во-доотведения. В то же время, доля сточных вод, очищенных согласно установленным нормативам на целлюлозно-бумажных предприятиях невелика. Следует отметить, что сточные воды указанных предприятий имеют сложный и непостоянный состав содержащихся в них загрязнений, что серьезно усложняет технологию их очистки до нормируемых показателей при сбросе в водоемы. Кроме того, они содержат различные трудноокисляемые органические соединения, такие, например, как экстрактивные вещества, которые попадают в сток на стадии мокрой окорки древесины в процессе водной экстракции. Эти вещества не подвергаются биологическому окислению активным илом и проходят станцию очистки транзитом, попадая в природные водоемы, т.к. биологическая очистка не предназначена для удаления биологически резистентных веществ.

Именно поэтому на передовых предприятиях ЦБП, находящихся, к сожалению, за границей, интенсивно реализуются методы локальной очистки сточных вод, направленные на недопущение попадания биологически неразлагае-мых загрязняющих веществ на стадию биологической очистки, которая является общепринятым заградительным барьером, препятствующим попаданию этих веществ в водоемы не только на предприятиях России, но и во всем мире.

Все вышеперечисленное свидетельствует об актуальности разработки системы локальной очистки сточных вод, в том числе основанной на физико-химических методах - коагуляции и флокуляции.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка экспериментально обоснованных рекомендаций локальной очистки сильнозагрязненных сточных вод ЦБП, содержащих вещества экстрагируемых водой с использованием методов коагуляции.

Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить закономерности коагуляционной очистки модельных сточных вод, содержащих вещества, экстрагируемые водой на стадии мокрой окорки древесины, с использованием различных коагулянтов и флокулянтов.

2. Исследовать эффективность коагуляционной очистки сильнозагрязненных производственных сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий различными коагулянтами и флокулянтами.

3. Определить оптимальные условия локальной коагуляционной очистки производственных сточных вод .

4. Разработать научно-обоснованные рекомендации для промышленной реализации результатов исследования.

Научная новизна. Впервые экспериментально доказана возможность удаления загрязнений из сточных вод древесно-подготовительного цеха предприятий ЦБП на стадии мокрой окорки, с использованием методов коагуляции.

з

В результате коагуляционной очистки сточных вод, содержащих водорастворимые экстрактивные вещества древесины и коры, удаляются органические загрязнения, относящиеся к классу дубильных веществ.

Экспериментально обоснована целесообразность применения для коагуляционной очистки основных коагулянтов, в частности, оксихлорида и сульфата алюминия, позволяющих снизить загрязненность указанного стока по показателям цветность и ХПК на 90 и 80% соответственно.

Практическая ценность. Экспериментально доказано, что удаление экстрактивных веществ древесины из сточных вод методами коагуляции на стадии локальной очистки позволяет снизить нагрузку на станцию БОПС по показателю ХПК почти на 30% и соответственно уменьшить сброс загрязнений в природные водоемы. При этом эколого-экономический эффект в результате использования в качестве коагулянта !%-ного раствора ОХА дозировкой 70 г/м3 составляет 14,14 млн руб/год, а при использовании СА- 11,14 млн руб/год.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на следующих международных конференциях: «Водные и лесные ресурсы России: проблемы и перспективы использования, социальная значимость», г. Пенза, 2009; «Севергеоэкотех-2009», IX молодежная научная конференция, г. Ухта, 2009; «Современная наука и образование в решении проблем экономики Европейского Севера», научно-техническая конференция, г. Архангельск, 2009; «Севергеоэкотех-2010», X молодежная научная конференция, г. Ухта, 2010; «Молодежь и наука XXI века», III научно-практическая конференция молодых ученых, г. Ульяновск, 2010; «Современная наука и молодежь», IV научно-практическая конференция, Махачкала, 2011. «Се-вергеоэкотех-2012», XII молодежная научная конференция, г. Ухта, 2012.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 4 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя: введение; аналитический обзор; методическую часть; экспериментальную часть, включающую 3 раздела; технологическую часть; выводы и библиографический список. Содержание работы изложено на 133 страницах, включая 42 рисунка и 40 таблиц, библиография - 135 наименований, приложение.

Автором выносятся на защиту следующие основные положения диссертационной работы:

1. Результаты исследований по очистке модельных сточных вод методом коагуляции с оценкой роли дзета-потенциала на показатели очистки;

2. Результаты исследований очистки производственного стока древесно-подготовителного цеха методом коагуляции как основного источника поступления экстрактивных веществ в общий сток ЦБП;

3. Результаты исследований по очистке производственного стока древесно-

подготовителного цеха, разбавленного условно чистой водой, методом коагуляции содержащего, наряду со стоком ДПЦ, другие загрязняющие вещества;

4. Расчеты по технологической части и эколого-экономической оценке от реализации предлагаемой технологии.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. В данном разделе обоснована актуальность темы исследования.

Аналитический обзор литературы. В обзоре представлены данные о методах очистки производственных сточных вод. Приведена классификация загрязнений и общая характеристика сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий. Показано влияние целлюлозно-бумажных предприятий на состояние водных объектов. Рассмотрены основные виды коагулянтов и флокулянтов, состояние производства и тенденции их промышленного применения в России. Сформулированы общие выводы по обзору литературы и задачи, подлежащие исследованию.

Объекты и методы исследования. Исследования пробного коагулирования проводились на модельной сточной воде и стоках ДП11 и его разбавленном стоке условно-чистыми сточными водами (сток УЧВ), отобранных па ОАО «Архангельский ЦБК». Дана характеристика модельных, производственных сточных вод и исследуемых коагулянтов и флокулянтов.

В качестве методов исследований использовались классические, характеризующие общую загрязненность сточных вод, а именно: ХГЖ, цветность, содержание взвешенных веществ, рН, содержание алюминия в воде, определение электрокинетического потенциала. Кроме того исследовалось влияние электрокинетического потенциала на показатели очистки.

Экспериментальная часть состоит из 3 разделов.

1. Очистка модельных сточных вод

При исследовании влияния уровня рН сточной воды па эффективность ее очистки были использованы алгомосодсржащие (дозировка 60 гА1203/м3) и железосодержащие (дозировка 100 гРе20з/м3) коагулянты.

При использовании алюмосодержащих коагулянтов (рис.1), эффективность очистки по цветности и ХПК находится на одном уровне с железосодержащими коагулянтами (рис.2). Однако интервал рН лежит в более щелочной области (рН 5,4-6,2), чем при использовании железосодержащих коагулянтов (рН 4,6-5,4).

Учитывая, что исходное значение рН проб около 4,5, можно сделать заключение о необходимости искусственного поддержания рН среды в процессе обработки на более высоком уровне, т.е. осуществлять его корректировку с помощью щелочных реагентов.

При исследовании влияния вида и дозировки коагулянтов на эффективность очистки сточной воды при дозировке ОХА (рис. 3) 30 г/м3 уже достигается эффективность очистки как по цветности, так и по ХПК 80 и 50%, соответственно. При использовании СА для обработки воды дозировки данного реагента необходимо поддерживать на уровне выше 40-45 г/м5, так как при меньших расходах коагуляционная очистка не наблюдается. Дальнейшее увеличе-

ние дозировки коагулянта приводит к возрастанию эффективности очистки как по цветности, так и по ХПК до 70 и 45%, соответственно.

При очистке модельной сточной воды СЖ(Ш) (рис. 4) эффективность очистки по ХПК и цветности достигает 35% и 60% при дозировке 65 г/м3. Максимальный эффект очистки ЖАК в исследованном интервале дозировок составил около 70% по цветности и 15% по ХПК. Дозировка коагулянта составила 60 г/м3.

100

О по ХПК ОХА □ по цветности ОХА

Д по ХПК СА X по цветности СА

Рис. 1 Влияние рН на эффективность очистки СВ по ХПК и цветности алюмосо-держащими коагулянтами

100,0

90

1 80

о 70 л

о 50 х

Ш

г зо -I

х

V

•§•40 -

30

—д

4,8

рН

5,2

5,6

6,0

4,0 4,4

О по ХПК СЖ(Ш) □ по цветности СЖ(Ш)

Д по ХПК ЖАК Ж по цветности ЖАК

Рис. 2 Влияние рН на эффективность очистки СВ по ХПК и цветности железосодержащими коагулянтами.

30 40 50 60 70

Дозировка коагулянта, гА1203/м3 О по ХПК ОХА □ по цветности ОХА

Д по ХПК СА Хпо цветности СА

Рис. 3 Влияние дозировки алюмосодержащих коагулянтов на эффективность очистки

? 40 50 60 70 80 90 т Дозировка коагулянта, гРе203/м3

О по ХПК СЖ(Ш) О по цветности СЖ(Ш)

Д по ХПК ЖАК Хпо цветности ЖАК

Рис. 4 Влияние дозировки железосодержащих коагулянтов на эффективность очистки

В целом, эффективность очистки алюмосодержашими коагулянтами в данном интервале дозировок по сравнению с железосодержащими коагулянтами, несколько выше.

Кроме того в ходе исследования изучено влияние гидродинамических условий перемешивания воды с коагулянтом. В качестве реагентов использовали коагулянт ОХА и катионный флокулянт Налко 1Р005.

Как видно из таблицы 1, степень очистки по цветности составляет около 90 % в интервале значений 6000 < 11е < 7500, а по ХНК при увеличении до 8500 эффективность очистки возрастает до 54%, а затем постепенно снижается. Это объясняется тем, что при значении Яе < 7500 не обеспечивает быстрого распределения реагентов по всему объему аппарата. А при значении Яе >8500 образовавшиеся крупные хлопья разрушаются до более мелких частиц, что в свою очередь ведет к ухудшению их седиментационных свойств.

Таблица 1 Зависимость эффективности очистки модельной сточной воды от числа Рейнольдса

Число Рей- Показатели очищенной воды Эффективность очистки, %

нольдса рн Цветность, °ПКШ ХПК, мгОг/дм3 Концентрация ВВ, мг/д.ч3 по цветности по ХПК

4250 6,25 138 723 33 84,7 22,3

5310 6,25 112 487 42 87,6 47,6

6370 6,25 96 475 40 89,3 48,9

7440 6,27 88 435 35 90,2 53,2

8500 6,19 110 430 42 87,8 53,8

9560 6,24 112 433 45 87,6 53,4

10620 6,21 120 440 30 86,7 52,7

11690 6,12 136 485 43 84,9 47,8

12750 6,30 172 496 31 80.9 46,7

Таблица 2 Влияние продолжительности перемешивания на эффективность очистки модельной сточной воды

Продолжительность Показатели очищенной воды Эффективность очистки, %

перемешивания, сек. рн Цветность, °ПКШ ХПК, мгОг/дм3 ВВ, мг/дм"1 по цветности по ХПК

20 6,21 590 520 68 34,4 44,1

40 6,20 330 507 56 63,3 45,5

60 6,12 250 487 54 72,2 47,6

80 6,16 130 469 42 85,6 49,6

100 6,20 124 457 43 86,2 50,9

120 6,19 124 449 45 86,2 51,7

140 6,18 124 452 43 86,2 51,4

160 6,20 124 460 46 86,2 50,5

180 6,15 120 470 40 86,7 49,8

Эффективность очистки от продолжительности перемешивания (таб. 2) по цветности возрастает в интервале от 20 до 80 секунд до 86 %, затем не изменяется. Степень очистки по ХПК изменяется от 45 до 52 %. При продолжитель-

ности перемешивания меньше 80 секунд, процесс коагуляции проходит не полностью, что приводит ухудшению эффективности очистки сточной воды.

Необходимо отметить, что на степень извлечения загрязнений из сточной воды влияет и порода древесины (рис. 5,6). Так, наибольший эффект наблюдается при очистке СВ, полученной из экстракта коры ели - 50...70 %. Несколько хуже очищаются СВ, приготовленные из экстрактов коры сосны и березы -30...40 %. Наименьший эффект достигнут при коагуляционной очистке модельного стока из экстракта коры осины - 20.. .30 % по показателю ХПК.

Эффективность очистки модельных СВ по цветности при использовании оксихлорида алюминия несколько выше (80...95 %) по сравнению с сульфатом алюминия (70...90 %). Эффективность очистки по ХПК в гораздо большей степени зависит от качественного состава модельной сточной воды, чем степень очистки по цветности.

40 45 50 55 60 65 70 Дозировка ОХА, гА1г03/м3

□ сосна Д осина X береза

А - —

50 55 60 65 70 75 Дозировка СА гА1203/м3 □ сосна Досина X береза

Рис. 5 Влияние дозировки ОХА и СА на эффективность очистки по цветности

40 50 60 70 Дозировка ОХА, гА1203/м3

□ сосна Д осина X береза

80 , 70

X 60 1

8

У 50

О

.0 40

о

I 03 30 -

X ш 20 !

-е-

-е- 10

т

0

50 60 70

Дозировка СА гА1г03/м3

□ сосна Д осина X береза

Рис. 6 - Влияние дозировки ОХА и СА на эффективность очистки по ХПК

Таким образом, по уровню эффективности очистки (по цветности и ХПК) модельные сточные воды, приготовленные из экстрактов коры представленных

8

пород можно расположить в следующий ряд (по убыванию): ель-сосна-береза-осина.

Также был изучен состав извлекаемых веществ из экстракта коры ели при обработке коагулянтом (табл. 3). Для этого исходный экстракт обрабатывали гольевым порошком, после чего сравнивали эффективность удаления загрязнений в обработанном и не обработанном водном растворе.

Таблица 3 Эффективность очистки модельной сточной воды при обработке ок-сихлоридом алюминия и гольевым порошком._

ХПК, мг02/дм3 Эффективность очистки, %

Исходный экстракт 5910

После коагуляции исходного экстракта 1972 66,7

После обработки гольевым порошком:

Удаление образовавшихся взвешенных методом осаждения 2208 62.6

Удаление образовавшихся взвешенных методом фильтрации через слой каолина 2091 64,6

Коагуляция обездубленного раствора* 2079 64,8

Примечание: * хпк обездубленнога раствора - 2091 м|0,/;и'

Как известно, при взаимодействии гольевого порошка с водным экстрактом коры древесины, происходит извлечение из экстракта дубильных веществ, к которым относятся и танниды.

Из представленных результатов исследования (таб.3) следует, что при коагуляционной обработке экстракта ели (модельной воды) из него извлекаются в основном дубильные вещества. Разница между экстрактом, обработанным коагулянтом и гольевым порошком, составляет около 100 мг/дм3 по показателю ХПК. Это обусловлено тем, что при обработке коагулянтом попутно из экстракта извлекается некоторая часть других высокомолекулярных соединений.

Таким образом, можно сделать вывод, что при коагуляционной обработке в большей части (около 90 %) из водных растворов удаляются дубильные вещества.

Из представленных данных таблицы 4 следует, что максимальный эффект очистки по цветности и ХПК в целом с использованием оксихлорида алюминия несколько выше, чем с сульфатом алюминия. При этом эффективность очистки зависит не только от дозировки коагулянта, но и ог величины исходной загрязненности. Удельный расход сульфата алюминия выше в 1,2 раз как при очистке стока по ХПК, так и при очистке стока по цветности по сравнению с оксихлор-идом. Во всех случаях удельный расход коагулянта тем меньше, чем выше исходная загрязненность пробы воды.

Для увеличения степени осветления в обработанную воду необходимо введение флокулянта. Исследования показали, что максимальный эффект по показателю ХПК при очистке модельной сточной воды наблюдается при ис-

9

пользовании флокулянтов Магнафлок 1011 и Магнафлок ЕЮ. Эффективность данных флокулянтов можно объяснить их принадлежностью к анионным фло-кулянтам. По показателю цветность эффективность очистки при использовании всех исследуемых флокулянтов находится практически на одном уровне (92 -95 %). При этом наилучший эффект достигается при дозировке флокулянта 0,3 г/м , как по показателю ХПК, так и по цветности. Дальнейшее увеличение дозировки не ведет к увеличению степени очистки, а в некоторых случаях даже к некоторому снижению.

Таблица 4 Влияние уровня исходной загрязненности модельной СВ на удельный расход коагулянта_

ХПК Цветность

мгОг/дм3 Уд. расход коагулянта, мгАЬОз /ед. загрязнения °ПКШ Уд. расход коагулянта, мгА120з/ед. загрязнения

до очистки Эффективность очистки, % СА ОХА до очистки Эффективность очистки, % СА ОХА

СА ОХА СА ОХА

500 58 61 0,090 0,090 750 84 91 0,060 0,053

900 60 65 0,070 0,062 3000 90 95 0,025 0,021

1100 60 62 0,068 0,062 4200 91 92 0,019 0,018

1600 52 49 0,050 0,053 5000 75 78 0,017 0,017

150 200 ;

Продолжительность перемешивания, сек

4

3 -2 1 0

50 60 70 80

Дозировка коагулянта, гМг0^м'

5000 7000 9000 Число Рейнольдса

11000

Рисунок 7 Влияние рН сточной воды, дозировки коагулянта и гидродинамические условия перемешивания на содержание алюминия в сточной воде

Так же было исследовано влияние рН сточной воды, дозировка коагулянта и гидродинамические условия перемешивания на содержание алюминия в

ю

сточной воде (рис 7). Резкое снижение содержания алюминия в очищенной воде наблюдается уже при рН 5,2 и держится на данном уровне до рН 6,0. Дальнейшее увеличение рН приводит к повышению уровня А1 в воде. Минимальное содержание алюминия достигается при дозировке коагулянта 60-70 г/м3, продолжительности перемешивания 150-180 секунд и значении 6500 < Re <7500.

По качественному содержанию экстрактивных веществ модельные СВ практически идентичны производственным стокам, образующихся в процессе мокрой окорки древесины (ДПЦ и УЧВ). Производственные стоки относятся к сильнозагрязнённым и содержат большое количество водорастворимых веществ коры дерева, которые приводят к снижению жизненной активности микроорганизмов активного ила.

2. Очистка стока древесно-подготовительного цеха

Большой интерес представляла очистка стока ДПЦ, отобранного на ОАО «Архангельский ЦБК», так как он является наиболее загрязненным локальным стоком из всех имеющихся и отличается высоким содержанием загрязнений коллоидной степени дисперсности и также мелкодисперсных примесей.

Исследованные пробы сточной воды ДПЦ отличались широким интервалом показателя рН, значения которого менялись от 4,5 до 7,2. Вместе с тем рН исходной воды оказывает сильное влияние на эффективность очистки по всем показателям (см. раздел 1).

Нами экспериментально установлено, что наилучшая очистка сточной воды по цветности для всех исследованных коагулянтов при рНисх около 7. При чем снижение цветности под действием АКК начинается только при рН > 6, при использовании СА - при рН > 5,5. Обработка ОХА приводит к снижению цветности в более широком интервале значений рН сточной воды.

Степень очистки по ХПК увеличивается с ростом рН, при этом указанные коагулянты по своей эффективности можно расположить в ряд ОХА-СА-СЖ III-AKK (табл.5).

Таблица 5 Изменение эффективности'очистки в зависимости от рН„„ стока

Коагулянт Дозировка, rAl203(Fc203)/M3 рН исх. Эффективность очистки, %

по цветности по ХПК по ВВ

СА 60 4,56 0 36,0 85,4

4,90 0 46,0 88,6

5,58 31,3 44,4 90,9

7,15 95,1 61,1 90.0

ОХА 50 4,56 39,4 46,4 91,9

5,72 60,0 49,7 78,1

7,15 90,1 78,6 85,3

АКК 70 4,97 0 12,1 82,3

5,72 0 39,5 70,7

6,97 84,8 42,1 55,3

СЖШ 70 4,97 0 56,7 94,5

6,97 91,1 68,7 94,5

и

Эффект очистки по В В при использовании СА мало зависит от рНи„ стока и находится на уровне 90 %, при использовании ОХЛ находится в интервале 80...90 %, а при использовании АКК наблюдается снижение степени очистки по ВВ с ростом рН„сх. Для очистки сульфатом железа III также характерно повышение эффективности очистки с ростом рН в пределах 5-7.

Таким образом, если значение рН исходной воды ниже 7 требуется его корректировка.

В дальнейших исследованиях проводилась корректировка рН раствором гидроксида натрия.

Известно, что правильно подобранная дозировка коагулянта позволяет повысить эффективность очистки сточной воды, сократить расход реагента и остаточное содержание алюминия в осветленной воде. В экспериментах варьировали дозировки исследуемых коагулянтов, дозировка флокулянта составила 1 г/м", значение рН исходной воды находилась в интервале 6,97. ..7,15.

Установлено, что эффективность очистки по цветности оказалась наилучшей п^и использовании сульфата алюминия и составила 98 % при дозировке 30 г/м (табл.6). Приемлемая степень очистки достигается уже при 20 г/м . Применяя ОХА, удалось очистить сточную воду по данному показателю на 90 %, однако, дозировка данного реагента по сравнению с СА оказалась выше в 1,5 раза. Степень очистки по цветности сульфатом железа находится примерно на том же уровне, что и при использовании ОХА, дозировка - 50 г/м3. Наименьшую эффективность очистки по цветности из всех представленных в данном разделе коагулянтов имеют ЛКК -82 % при дозировке 50 г/м3.

Максимальный эффект очистки сточной воды по ХПК составил 80 % при использовании ОХА, при этом дозировка коагулянта составила 30 г/м3. Применение СА приводит к несколько меньшему эффекту - 70.. .75 % при дозировках от 25 г/м . Обработка стока ДПЦ сульфатом железа III также позволяет удалить до 70 % загрязнений по ХПК, но при несколько больших по сравнению с СА и ОХА дозировках - от 60 г/м3. Относительно невысокий эффект достигается при использовании АКК - максимальная степень очистки составила 48 % в исследованном интервале дозировок - от 40 до 80 г/м3.

Похожая картина наблюдается и с удалением взвешенных веществ: АКК проявляет наименьший эффект, а остальные коагулянты удаляют до 90...95 % ВВ, однако, при различных дозировках. По минимальной дозировке, при которой достигается указанный выше эффект, коагулянты можно расположить в следующий ряд: СА - ОХА - АКК - СЖIII.

Таким образом из данных сводной таблицы 6 следует, что использовать для очистки сточной воды ДПЦ алгомокалиевых квасцев нецелесообразно ввиду низкой эффективности и больших дозировок реагента. Применение сульфата железа также требует повышенных по сравнению с СА и ОХА дозировок. Наиболее эффективными являются сульфат и оксихлорид алюминия, причем первый - по показателю цветность, а второй - по ХПК.

Таблица б Эффективность очистки стока ДПЦ различными коагулянтами

Коагулянт Показатель

Цветность ХПК Содержание ВВ

Эффективность, % Дозировка, г/м3 Эффективность, % Дозировка, г/м3 Эффективность, % Дозировка, г/м3

СА 98 30 70 25 93 30

ОХА 90 45 80 30 88 40

АКК 82 50 70 50 96 60

СЖ III 92 50 48 80 60 80

Для эффективной очистки стока ДПЦ при использовании большинства из исследуемых коагулянтов требуется введение флокулянта в качестве второй ступени обработки воды. В противном случае результативность очистки серьезно уменьшается вследствие снижения эффективности процесса образования осадка и ухудшения его седиментационных свойств. Из всех представленных в данной работе коагулянтов только оксихлорид алюминия можно в некоторых случаях использовать в качестве единственного реагента в системе локальной очистки сточной воды ДПЦ, однако и в данном случае возникают сомнения в отношении показателя эффективности осветления воды и структурирования осадка.

Исследованные пробы сточной воды довольно сильно отличались по исходным характеристикам и, в том числе, по величине ХПК, которая менялась от 970 до 4346 мг02/дм3. В таблицах 7 и 8 представлены данные экспериментов по очистке проб сточной воды с различной исходной загрязненностью алюмосо-держащими коагулянтами - оксихлоридом и сульфатом алюминия, как наиболее эффективными, в зависимости от рН. Дозировка флокулянта при этом составила 1 г/м3.

Таблица 7 Влияние конечного рН сточной воды на количество удаляемых загрязнений по ХПК __

№ пробы Коагулянт Дозировка коагулянта, гА1203/м3 рН * Количество удаленных загрязнений по ХПК, мКЬ/дм' Эффективность очистки по ХПК, %

кон.

9 СА 60 3,99 822 48.32

4,18 886 52,09

4,42 900 52,91

4,61 925 54,38

4,87 |_ 1000 58,79

5,28 1033 60,73

2 ОХА 50 4,33 506 38,57

4,46 568 43,29

4,53 568 43,29

4,62 584 44,51

4,64 630 48,02

4,82 660 50,30

»Примечание: проба 9 рНв„ = 5,03, ХПКисх- 1701 мгО:/дм ;

проба 2 рН„„ = 5,72, ХПК„„ -1312 мгСЬ/дм'

При обработке проб с одинаковым исходным уровнем ХПК с ростом рНКОн (табл. 7) происходит некоторое увеличение количества удаляемого ХПК. Однако из двух важных для эффективной очистки сточной воды параметров -ХПКисх и рНК0„ (табл. 8) - определяющим является первый. Чем меньше исходное ХПК, тем меньше удаляется загрязнений.

Несколько иная картина складывается при рассмотрении влияния исходной цветности сточной воды на эффективность ее очистки. Определяющее влияние в данном случае оказывает значение рНисх обрабатываемой среды.

Таблица 8 Влияние начального ХПК сточной воды на количество удаляемых загрязнений по ХПК_

№ пробы Коагулянт Дозировка коагулянта, ГА1203/!^ Исходное значение ХПК, мг02/дм3 Количество удаленных загрязнений по ХПК, мгСЬ/дм3 рН

исх. кон.

! СА 60 4346 1582 4,56 4,10

8 2844 1308 4,90 4,17

5 2375 1054 5,58 4,27

9 1701 900 5,03 4,42

3 1426 871 7,15 4,47

10 970 608 5,56 5,53

1 ОХА 50 4346 2016 4,56 4,31

6 2782 1355 4.85 4,33

5 2375 1016 5,58 4,67

2 1312 806 5,72 4,82

От содержания взвешенных веществ в сточной воде в большей мере зависит степень их удаления при коагуляционной очистке стока ДПЦ сульфатом и оксихлоридом алюминия и не зависит от рН (таб. 9), как исходной пробы, так и обработанной.

Таблица 9 Количество удаляемых ВВ при очистке сульфатом и оксихлоридом алюминия

№ пробы Коагулянт Дозировка коагулянта, гАЬОз/м5 Дозировка флокулянта, г/м3 рн Содержание ВВ, иг/дм' Количество удаленных загрязнений по ВВ, мг/дм3

исх. кон. исх. кон.

1 ОХА 50 1 4,56 4,31 1522 124 1398

2 5,58 4,67 964 98 866

3 5,72 4,33 430 94 336

5 7,15 4,63 254 38 266

1 СА 60 1 4,56 4,10 1522 222 1300

3 5,58 4,27 964 88 876

5 4,90 4,17 646 74 572

9 7,15 4,47 254 26 228

Из графических данных на рисунках 8, 9 следует, что данная зависимость является линейной. Следовательно, чем больше ВВ в исходном стоке, тем

14

большее количество извлекается при одной и той же дозировке коагулянта. Причем количество ВВ, извлекаемых ОХА и СА, практически одинаково.

А значит количество экстрактивных веществ определяющих загрязне-ность стока ДПЦ, а также значение рН существенно влияют на показатели очистки по ХПК, цветности и взвешенным веществам.

200 400 600 800 1000120014001600 Содержание ВВ, мг/дмэ

Рис. 8 Зависимость количества удаленных ВВ от их содержания в исходных пробах сточной воды при обработке оксихлоридом алюминия

Содержание ВВ, мг/дм* Рис. 9 Зависимость количества удаленных ВВ от их содержания в исходных пробах сточной воды при обработке сульфатом алюминия

3. Очистка стока условно-чистых вод

Как и при очистке стока ДПЦ, эффективность очистки стока УЧВ зависит от исходного и конечного рН. Анализ экспериментальных данных показал, что исходное значение рН серьезно влияет на эффективность очистки. Это свидетельствует о том, что при рН исходной пробы воды ниже 6,0, требуется его корректировка. В экспериментах проводилась корректировка рН раствором гидроксида натрия, который вводился в пробу воды после введения коагулянта (исследования показали, что способ введения щелочного агента - до или после коагулянта - не оказывает влияния на степень очистки).

Установлено, что степень очистки стока УЧВ по цветности сульфатом и оксихлоридом алюминия практически не зависит от рНц0], и доходит до 90 %. Эффективность очистки с использованием ЖАК значительно ниже и проходит через максимум - 70 % - при рНК0„ = 4,6.

В целом, из представленных данных следует, что менее всего зависит от рНК0„ степень очистки оксихлоридом алюминия и, кроме того данный реагент можно использовать в более широком диапазоне рН сточной воды.

Так же, в ходе исследований по влиянию вида и дозировки коагулянта на эффективность очистки (табл. 10) установлено, что максимальный эффект очистки по цветности при использовании алюмосодержащих коагулянтов составляет 90...95 %. При этом наилучшие результаты получены при использовании для обработки воды СА: 90%-ная очистка достигается уже при дозировке

20 г/м3, а в случае с ОХА и АКК - при 30 г/м3. Железосодержащие коагулянты имеют несколько меньшую эффективность: так, применение СЖ III требует увеличения дозировки до 40 г/м3, а максимальный эффект при использовании ЖАК - ниже - 80.. .83 % при дозировке 30 г/м3.

Таблица 10 Сравнительная характеристика коагулянтов по эффективности очистки стока УЧВ

Коагулянт Показатель

Цветность ХПК Содержание ВВ

Эффективность, % Дозировка, г/м3 Эффективность, % Дозировка, г/м3 Эффективность, % Дозировка, г/м3

СА 90 20 80 15 90 15

ОХА 90 30 75 25 93 30

АКК ЖАК 90 30 50 30 90 30

83 30 63 30 85 30

СЖ III 90 40 80 40 90 50

Наиболее высокие результаты очистки сточной воды по ХПК (80 %) достигнуты при использовании сульфата алюминия при дозировке 15 г/м3. Использование ОХА оказалось несколько менее эффективным - 70...75 % - при больших дозировках (20...25 г/м3). Применение АКК в данном случае нецелесообразно ввиду низкой его эффективности - 50 % при дозировках от 30 г/м3. Из железосодержащих коагулянтов наилучшим образом действует СЖ III: эффект 80 % достигнут при дозировке 40 г/м3; ЖАК проявляют еще меньшую эффективность - всего 60 %.

Степень извлечения из сточной воды взвешенных веществ максимальна (90 %) при использовании СА и ОХА, с той лишь разницей, что в первом случае это происходит при дозировке в два раза ниже. Следует отметить, что при очистке сульфатом алюминия в интервале дозировок от 20 до 40 г/м3, степень очистки по ВВ снижается до 78...80 %. Эффективность удаления ВВ с помощью АКК и ЖАК максимальна при дозировке 30 г/м3, а при использовании СЖ III при дозировке 50 г/м3 и достигает 90 %, 85 % и 90% соответственно.

Таким образом, из всех исследуемых коагулянтов наибольший интерес в целях практического использования представляют СА и ОХА. При этом, несмотря на большую дозировку по сравнению с сульфатом алюминия, оксихлор-ид имеет некоторые преимущества: использование ОХА позволяет получить осадок с лучшими седиментационными свойствами, образующийся за меньшее время. Квасцы имеют невысокую эффективность очистки по ХПК, а сульфат железа III проявляет свою коагулирующую способность лишь при больших дозировках.

Для увеличения степени осветления дополнительно в сточную воду после коагуляции вводили флокулянт. Дозировка флокулянта практически не влияла на рН сточной воды в процессе обработки.

Согласно данных на рис. 10 и 11, эффективность очистки стока алюмосо-держащими коагулянтами по показателю цветность возрастает с увеличением

дозировки флокулянта, и достигает 92-95 %. Несколько иначе протекает процесс очистки по ХПК и ВВ, а именно: ввод флокулянта практически не влияет на значение ХПК при использовании в качестве коагулянта оксихлорида алюминия и даже снижается при расходе флокулянта свыше 0,4 г/м3 в случаи обработки воды сульфатом алюминия. Эффективность осветления воды (удаление взвешенных) или постепенно снижается в случае использования ОХА и проходит через максимум в случае с СА.

100

о 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Дозировка флокулянта, г/м1

Опо цветности ПпоХПК ДпоВВ

Рис. 10 Влияние дозировки флокулянта на эффективность очистки стока УЧВ (проба № 3) оксихлоридом алюминия

о 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Дозировка флокулянта, г/м3

Опо цветносити ОпоХПК ДпоВВ

Рис.11 Влияние дозировки флокулянта на эффективность очистки стока УЧВ (проба № 4) сульфатом алюминия

Таким образом, процесс очистки с использованием представленных выше коагулянтов сопровождается эффективным хлопьеобразованием и последующим осаждением даже при условии отсутствия флокулянта, что позволяет довольно эффективно вести очистку, применяя однореагентную систему.

4. Технологическая часть и эколого-экономический эффект от реализации данной технологии.

На основании экспериментальных данных была разработана технология локальной очистки стока ДПЦ методом коагуляции. Произведен расчет материальных балансов очистки оксихлоридом и сульфатом алюминия. Подобрано основное оборудование.

Рассчитан эколого-экономический эффект. Из расчетов следует, что срок окупаемости предлагаемой технологии составил: при использовании оксихлорида и сульфата алюминия 2,5 года и 3 года соответственно.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны экспериментально обоснованные рекомендации локальной очистки сильнозагрязненных сточных вод ЦБП, содержащих вещества экстрагируемых водой с использованием методов коагуляции.

2. Экспериментально доказано, что для практического использования при коагуляционной очистке сильнозагрязненных стоков ЦБП, содержащих водо-

растворимые экстрактивные вещества, представляют интерес лишь сульфат и оксихлорид алюминия. Эффективность удаления этих веществ названными коагулянтами составляет: 90...98 % по цветности, 70...80 % по ХПК, 90...95 % по взвешенным веществам.

3. Установлено, что обязательным условием эффективной очистки является нейтральное значение рН исходной сточной воды, для чего в некоторых случаях приходиться его корректировать с использованием щелочных реагентов. Зависимость С, - потенциала от величины рН и дозировки коагулянта является линейной, что позволяет прогнозировать поведение системы и эффективность очистки сточной воды по данному показателю.

4. Доказано, что в результате коагуляционной очистки сточных вод, содержащих водорастворимые экстрактивные вещества древесины и коры, удаляются преимущественно вещества входящие в состав дубильных.

5. Выявлено, что очистка стока УЧВ сульфатом и оксихлоридом алюминия не требует дополнительного введения флокулянта. Эффективная очистка стока ДПЦ без применения флокулянта возможна только при использовании оксихлорида алюминия.

6. Установлено, что введение флокулянта дозировкой выше 0,3 г/м приводит к некоторому снижению степени очистки.

7. Определено, что реагентное обеспечение при очистке сточных вод должно быть скоректированно по сравнению с уже имеющимся, а именно, вместо катионных флокулянтов (Налко) предлагается использовать анионные (Магнафлок).

8. Выявлено, что рациональнее проведение локальной очистки стока ДПЦ, в связи с меньшим объемом и большей загрязненности данного стока по сравнению со стоком УЧВ.

9. Экспериментально обоснована целесообразность коагуляционной очистки сточных вод древесно-подготовительного цеха непосредственно на стадии образования перед смешением с другими стоками при транспортировке на биологическую очистку.

10. Разработана технология коагуляционной очистки стока древесно-подготовительного цеха с использованием оксихлорида и сульфата алюминия. Определено, что срок окупаемости данной технологии при использовании оксихлорида алюминия составил 2,5 года, при использовании сульфата алюминия - 3 года.

Из вышесказанного следует, что рациональнее проведение локальной очистки стока ДПЦ, в связи с меньшим объемом и большей загрязненностью данного стока по сравнению со стоком УЧВ. При этом целесообразнее применить для очистки стока ДПЦ коагулянты оксихлорид и сульфат алюминия.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Байбородин A.M. Локальная очистка сильнозагрязненных сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности коагулянтами [Текст] /

A.M. Байбородин, К.Б. Воронцов, Н. И. Богданович // Водоочистка: науч. журн. - 2009. - №7. - С.36-38.

2. Байбородин A.M. Разработка системы локальной очистки сильно-загрязнснных сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий [Текст] / A.M. Байбородин, К.Б. Воропцов, II. И. Богданович // Вода: химия и экологии: науч. журн. - 2011. -№ 8. - С. 16-21.

3. Байбородин A.M. Коагуляционная очистка сточных вод, содержащих экстрактивные вещества различных пород древесины [Текст] / A.M. Байбородин, К.Б. Воронцов, Е.В. Вторая, Н. И. Богданович // Водоочистка: науч. журн. - 2011. - №10. - С.12 - 13.

4. Байбородин A.M. Коагуляционная очистка сильнозагрязненного стока ДПЦ-3 ОАО «Архангельский ЦБК» [Текст] / A.M. Байбородин, К.Б. Воронцов, Н. И. Богданович II ИВУЗ Лесной журнал: - 2012. - № 5. - С.

Научные работы, опубликованные в трудах семинаров и конференций:

5. Байбородин A.M. Очистка сильноза1рязнсиных сточных вод ЦБП алюмосодержащими коагулянтами [ Текст] / A.M. Байбородин, К.Б. Воронцов, Н. И. Богданович // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития: материалы всеросс. науч.-практ. конф. с междунар. участием в 2-х частях. Ч. 1. - Киров: Изд-во «О-краткое», 2008, С. 427-429.

6. Байбородин A.M. Коагуляционная очистка сильнозагрязненных сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий [Текст] / A.M. Байбородин, К.Б. Воронцов, ■Т.В. Соболева, Н. И. Богданович // Наука - Северному региону: сб. тр., Архангельск: Изд-во АГТУ, 2009, С. 17-21.

7. Байбородин A.M. Локальная очистка сильнозагрязненных нод целлюлозно-бумажной промышленности коагулянтами [Текст] / A.M. Байбородин, К.Б. Воронцов, Н. И. Богданович // Экология и безопасность в техносфере: материалы всерос. научи.-техн. интернет-конф. - Орел: Изд-во ОрелГ'ГУ, 2009, С. 71-73.

8. Байбородин A.M. Влияние исходных показателей загрязненности сточной воды ДПЦ ОАО «Архангельский ЦБК» на эффективность ее очистки коагулянтами [Текст] / A.M. Байбородин, К.Б. Воронцов, Т.В. Соболева, Н. И. Богданович II Экологические проблемы промышленных городов: сб. науч. тр., в 2-х частях. Часть 2. Саратов: Изд-во Саратовского ГТУ, 2009, С. 19-21.

9. Байбородин A.M. Очистка стока ДПЦ ОАО «Архангельский ЦБК» методами коагуляции [Текст] / A.M. Байбородин, К.Б. Воронцов, Т.В. Соболева, Н. И. Богданович II Водные и лесные ресурсы России: проблемы и перспективы использования, социальная значимость: сб. статей междунар. науч.-практ. конф. - Пенза: АНОО «Приволжский Дом знаний», 2009, С. 3-5.

10. Байбородин A.M. Исследование эффективности локальной очистки условно чистых вод ОАО «Архангельский ЦБК» методом коагуляции [Текст] / A.M. Байбородин, К.Б. Воронцов // Севергеоэкотех-2009: материалы X междун. молодеж. науч. конф., 18-20 марта 2009 г., в 4-х частях, 4.4. - Ухта: УГТУ, 2009, С. 317-320.

° о

11. Байбородин A.M. Влияние вида и дозировок флокулянта на эффективность коагуляционной очистки сильнозагрязненных сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий [Текст] / A.M. Байбородин, К.Б. Воронцов, Е.В. Вторая, Н. И. Богданович // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития: материалы всерос. науч.-практ. конф., Вып.VII, 4.1. -Киров, 2009, С. 106-108.

12. Байбородин A.M. Влияние степени загрязненности сточных вод ЦБП на их коагуляционную очистку [Текст] / A.M. Байбородин, К.Б. Воронцов, Е.В. Вторая, Н. И. Богданович // Современная наука и образование в решении проблем экономики Европейского Севера: материалы междунар. науч.-техн. конф., посвященной 80-летию АЛТИ-АГТУ, Архангельск, 2009, С. 117-119.

13. Байбородин A.M. Влияние условий перемешивания на коагуляционную очистку сточных вод, содержащих экстрактивные вещества коры дерева [Текст] / A.M. Байбородин, К.Б. Воронцов // Молодежь и наука XXI века: материалы III междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых, 23-26 ноября 2010г., Т. 1. - Ульяновск: ГСХА, 2010, С. 406-408.

14. Байбородин A.M. Исследование эффективности удаления загрязнений из сточной вод целлюлозно-бумажных предприятий [Текст] / A.M. Байбородин, К.Б. Воронцов, Н. И. Богданович // Образование и наука: ступени развития: материалы региональной научн.-практ. конф., 9 декабря 2010г. - Архангельск: САФУ, 2010, С. 16-18.

15. Байбородин A.M. Изучение электрокинетического потенциала при коагуляционной очистке модельного стока целлюлоз-но-бумажного комбината [Текст] / A.M. Байбородин, К.Б. Воронцов // Севергеоэкотех-2012: материалы XII междунар. молодеж. науч. конф., 17-19 марта 2012 г., Ч. 4. - Ухта: УГТУ, 2012, С. 317-320.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу:

163002, г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17, С(А)ФУ, диссертационный совет Д 212 008 02.

Подписано в печать 22.08.2014. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №2793

Издательский дом САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56