автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Математическое моделирование коагуляции в осветлителях со взвешенным осадком

На правах рукописи

БУТКЕВИЧ Денис Михайлович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОАГУЛЯЦИИ В ОСВЕТЛИТЕЛЯХ СО ВЗВЕШЕННЫМ ОСАДКОМ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва • 2009

1 МАЯ

003469610

Работа выполнена на кафедре «Химия и общая экология» ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса».

Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент

ЛУКАШЕВА Галина Николаевна

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

ВОЛКОВ Виктор Анатольевич

кандидат технических наук Моисеев Андрей Владимирович

Ведущая организация: НОУ «Институт экологии, ресурсосбережения

и оборудования сервиса»

Защита диссертации состоится «2^» /и^ЪЛ 2009 г. в ^ часов на засе-

дании диссертационного совета Д 212.150.05 при ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса» по адресу: 141221, Московская область, Пушкинский район, пос. Черкизово, ул. Главная, 99, ауд. 1209, Зал заседаний советов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса».

Автореферат разослан «^Р » 9 года.

Ученый секретарь диссертационного со кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена математическому моделированию коагуляции при реагентной очистке природных вод в осветлителях со взвешенным осадком.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Проблемы экологии и здоровья населения достаточно остро стоят во многих странах и регионах. Одна из проблем этого комплекса - это качество питьевой воды. Серьезность проблемы для Российской Федерации представлена в концепции Федеральной целевой программы «Чистая вода». В соответствии с современными требованиями к качеству питьевой воды технологии водоподготовки должны обеспечивать содержание остаточного алюминия не более 0,2 мг/л в отличие от норматива 0,5 мг/л, принятого ранее. Многие водопроводные станции РФ не могут этого обеспечить. Несмотря на успехи применения новых коагулянтов, во многих случаях поставленная задача не была решена. Причины этого остаются невыясненными. Технологический процесс очистки воды является сложным и зависящим от многих факторов, поэтому анализ результатов сравнительных исследований различных коагулянтов может быть выполнен только на адекватной математической модели.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключалась в постановке и решении задач: 1) систематизации и анализа результатов технологических экспериментов при использовании для очистки воды различных коагулянтов и флокулянтов; 2) разработки физико-химической модели коагуляции на основе современных представлений о формировании новой фазы; 3) проведения экспериментальных исследований, подтверждающих предложенные механизмы формирования хлопьев коагулянта; 3) разработки математической модели коагуляции для процесса очистки воды в осветлителях со взвешенным осадком и ее исследовании; 4) проектирования и изготовления испытательного стенда, позволяющего проводить эксперименты в динамическом режиме.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Для процесса осветления воды разработана новая кинетическая схема, включающая одновременное протекание коагуляции и адсорбции. Разработана математическая модель процесса осветления воды, реализуемого в осветлителях со взвешенным осадком, в которой принят режим проточ-

ного реактора полного перемешивания. Выполнены оценки для разных теорий коагуляции, показавшие, что для описания процесса обработки воды коагулянтами наиболее приемлемыми среди классических теорий является теория Смолу-ховского-Мюллера. Обосновано применение разработанной модели для управления качеством обрабатываемой воды по параметру «остаточный алюминий».

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Различия в эффективности коагулянтов объяснены на основе разработанной кинетической схемы, включающей стадии образования зародышей новой фазы, их рост по механизму адсорбции и поликонденсации с последующей коагуляцией с формированием хлопьев. Предложенные стадии и механизмы коагуляции обоснованы экспериментами на имитатах природных вод. Методами вычислительного эксперимента показана возможность управления качеством воды по параметру «остаточный алюминий». Спроектирован, изготовлен и апробирован лабораторный осветлитель со взвешенным осадком и испытательный стенд для исследования процесса осветления воды в динамическом режиме.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ: (1) результаты систематизации и анализа технологических экспериментов по очистке воды обработкой различными коагулянтами и гипотетические механизмы формирования новой фазы; (2) физико-химическая модель динамики осветления воды при коагуляции в осветлителях со взвешенным осадком; (3) математические модели коагуляции в режиме динамики осветления в осветлителях со взвешенным осадком; (4) результаты расчетов по математической модели и их качественная физико-химическая интерпретация; (5) проект лабораторного стенда аналога осветлителя со взвешенным осадком для исследования динамики процесса очистки воды коагулированием.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы докладывались на конференциях аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы сервиса и туризма» (Москва, МГУС, 2007; Москва, РГУТиС, 2008), на VI-й Международной научно-практической конференции «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2008).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований опубликовано 6 статей, из них 2 - в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитированной литературы. Объем диссертации составляет 186 страниц; он включает 114 страниц основного машинописного текста, 75 таблиц, 78 рисунков, выводы, список цитированной литературы (122 наименования) и приложение (24 страницы).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель исследования. Научная новизна связана с разработкой математической модели коагуляции при реагентной очистке природных вод с применением коагулянтов и флоку-лянтов при проведении процесса в осветлителях со взвешенным осадком. Практическая значимость заключается в том, что математическая модель коагуляции позволяет анализировать результаты технологических испытаний при использовании различных коагулянтов и флокулянтов при очистке природных вод разного примесного состава и выявлять значимые физико-химические факторы, обуславливающие эффект очистки, а также выявить механизмы, позволяющие снизить концентрацию «остаточного алюминия» в обработанной воде, а также в проектировании и изготовлении лабораторного оборудования для исследования процесса осветления воды в динамическом режиме.

Первая глава диссертации включает обзор, анализ и систематизацию результатов технологических испытаний по применению коагулянтов на основе сульфата алюминия и оксихлоридов алюминия при очистке поверхностных природных вод. Показано, что многочисленные и разноречивые данные технологических испытаний коагулянтов на различных природных водах хорошо поддаются объяснению при принятии следующих положений: при реагентной очистке воды процесс коагуляции имеет несколько стадий: образование зародышей новой фазы и их переход в активно растущие ядра - хлопья коагулянта, за счет присоединения мономерных частиц, образующихся при гидролизе коагулянта, а затем коагу-

ляции с образованием крупных осаждающихся хлопьев; инициаторами образования зародышей новой фазы служат механические примеси исходной воды, обуславливающие мутность, или олигомерные частицы коагулянтов на основе окси-хлоридов алюминия; органические вещества природных вод, придающие воде цветность (гуминовые и фульвокислоты), адсорбируются на хлопьях коагулянта и тем самым блокируют их дальнейший рост и коагуляцию, в чем проявляется структурно-механический фактор стабилизации коллоидных систем. В первой главе рассмотрены также современные воззрения на механизм образования частиц новой фазы.

Вторая глава диссертации содержит методики и результаты экспериментов сравнительных исследований коагулянтов: сульфата (СА) и оксихлорида алюминия (ОХА) на имитатах природных вод пяти классов: хлоридно-натриевой (I тип), хлоридно-магниевой (III тип), сульфатно-натриевой (типы I, II, III), сульфатно-магниевой (III тип) и гидрокарбонатно-кальциевой (типы I, II). Эксперименты преследовали цель качественного наблюдения за ходом коагуляции и последующей интерпретации результатов этих наблюдений с позиций химической кинетики. Эти результаты на примере воды хлоридно-натриевого класса I типа, иллюстрирует таблица (условная доза коагулянта, равная 1, соответствует 4,73 мг/л по А1203; анализ на «остаточный алюминий» проводился через неделю). Динамика процесса имеет следующую картину: в начале при интенсивном перемешивании проходят процессы, не наблюдаемые визуально; далее происходит помутнение системы, которое заканчивается формированием хлопьев; хлопья ммут быть и мелкими, и крупными, а предполагаемые три стадии могут иметь различную длительность. Эффективной коагуляции и образованию крупных хлопьев, способствует интенсивное перемешивание в начале процесса и перемешивание с низкой интенсивностью («размешивание») на последующих стадиях. Это отличает рассматриваемую систему от классических коллоидных систем, когда коагуляция включает две стадии: начальную - перикинетическую, не требующую перемешивания, и окончательную - ортокинетическую, требующую перемешивания.

Анализ результатов, полученных при использовании СА, позволяет сделать предположение, что скорость образования зародышей много больше скорости их роста, процесс укрупнения частиц затруднен, «остаточный алюминий» находится в низкомолекулярной форме, а стадия адсорбции гуминовых веществ опережает коагуляцию. При использовании коагулянта ОХА процесс коагуляции лимитируется не скоростью гидролиза и образованием зародышей гидрозоля, а скоростью роста зародыша, и коагуляция опережает адсорбцию.

Таблица

Пример экспериментальных результатов при сравнительных исследованиях коагулянтов СА и ОХА

Цветно сть, градусы Реакция среды (рН) Остаточный алюминий

До После До После Нефильтр Фильтр

Хлоридно-натриевая, тип I; коагулянт СА (условная доза 1), без флокулянта

136 164 7,83 8,02 0,26 0,17

Наблюдения: через 20 мин легкая опалесценция, через 30 мин хлопья, через 1 час

по всему объему стакана рыжий осадок

Хлоридно-натриевая, тип I; коагулянт С А (условная доза 1), флокулянт ПАА

98 35 7,57 7,72 0,28 0,12

Наблюдения: на 3 минуте образование хлопьев, к концу перемешивания осадок

рыхлый, желтоватый

Хлоридно-натриевая, тип I; коагулянт ОХА, без флокулянта

98 23 7,57 8,03 0,64 0,27

Наблюдения: мутность на 2 - 3 мин перемешивания, через 1 час хлопья по всему

объему, через неделю крупный коричневый осадок

Хлоридно-натриевая, тип I; коагулянт ОХА, флокулянт ПАА

104 27 7,57 8,08 0,62 0,00

Наблюдения: через 1 минуту крупный рыхлый хлопок, через 10 мин оседание на

стенках

Изменение размеров частиц гидрозоля гидроксида алюминия в ходе коагуляции определяли оптическим методом, для чего использовали эмпирическую зависимость Геллера. Зависимость размера частиц гидрозоля гидроксида алюминия от условной дозы коагулянта, приведена на рисунке 1. В седиментационных экспериментах хлопья, полученные при гидролизе различных коагулянтов и для разных классов вод, демонстрируют существенную разницу. Для сульфатно-

натриевой воды II типа вес осадка хлопьев, полученных при гидролизе ОХА, более чем в 2 раза, превышает вес осадка хлопьев, полученных при гидролизе СА. Для других типов изученных в этих экспериментах вод (гидрокарбонатно-кальциевая I типа, сульфатно-натриевая III типа) разница в весе осадков не столь существенная: в 1,2 - 1,3 раза. Для хлопьев, полученных при гидролизе СА и ОХА в сульфатно-натриевой воде II типа, вес осадка в 1,5 раза превышает вес осадка, полученного в других водах.

Условная доза

Рисунок 1. Зависимость размера частиц гидрозоля гидроксида алюминия от условной дозы коагулянтов

Сопоставление результатов экспериментов по определению размера частиц гидрозоля и седиментации позволяет сделать несколько предположений: первое -частицы, получаемые при гидролизе ОХА, действительно являются более крупными; второе - частицы, получаемые при гидролизе СА, имеют тот же размер, что и при гидролизе ОХА, но при отборе пробы они в большей степени подвержены механическому разрушению; третье - частицы, получаемые при гидролизе СА, имеют пониженную способность к тиксотропному восстановлению хлопьев, чем частицы, получаемые при гидролизе ОХА. Последнее может быть связано с большей адсорбционной активностью частиц, получаемых при гидролизе СА, по-

скольку адсорбция гуминовых веществ приводит к блокированию активных центров и, тем самым, снижается способность к их вторичной коагуляции.

Третья глава посвящена разработке математической модели коагуляции с учетом адсорбции в режиме проточного реактора полного перемешивания. Рассмотрена общая стратегия возможного построения математических моделей осветлителя со взвешенным осадком. В модели, принятой к разработке, предполагается, что 1) слой взвешенного осадка может быть представлен проточным реактором полного перемешивания; 2) «ионный» алюминий поглощается растущими хлопьями по механизму адсорбции; 3) адсорбция в равновесии подчиняется уравнению Ленгмюра; 3) кинетика адсорбции соответствует смещению этого равновесия; 4) кинетика коагуляции подчиняется уравнению Смолуховского.

В теории Смолуховского коагуляция описывается дифференциальным

уравнением для кинетики второго порядка : —-^-и-кп^, где 115. - суммарная кон-

<Н

центрация коагулирующих частиц, к - кинетическая константа. При исходных предположениях рассчитана площадь поверхности всех агрегатов (АЬр), приходящаяся на единицу объема реактора (слоя взвешенного осадка). Введение пред-

п0КаА

положения о среднем агрегате дает выражение АЬр =-, где среднии агре-

1+1

VI

т,

гат, принятый сферическим имеет площадь поверхности А = 4к

ч 4яР>

- масса мономерной частицы, р, - плотность агрегата, £ -время половинной коагуляции, 1ЧА - число Авогадро. С учетом распределения коагулирующих частиц по классам (размерам) для площади поверхности частиц ¿-того класса получено

ГЗш, у/3

выражение А^ = КИ1*37—где Кю =4тт01ЧА мономерных частиц, входящих в агрегат), а для суммарной площадь поверхности

г ^ >1

частиц всех 1 классов - А, = У .у * —т.

, 1 - номер класса (число

Исследование рядов этого вида с

математической точки зрения в литературе отсутствуют, поэтому выполнен ана-

лиз замены на 1 и на 1. Показано, что замена ¡2/3 на 1 не согласуется с физико-химической моделью коагуляции, а замена »1/3 на 1 соответствует введению фактора формы для агрегата <р = Г13 и означает, что по мере протекания коагуляции форма агрегатов приближается к сферической.

Сопоставление Аг и АЬр дает неравенство АЕ < А^Д^^; 10 =0). Для оценки эффективности технологического процесса выбрано меньшее значение удельной площади поверхности дисперсной фазы Аг, что позволяет обеспечить избыточность технологической системы и повысить ее надежность.

При рассмотрении кинетики адсорбции предполагалось: 1) на поверхности хлопка реализуется равновесие адсорбции между поверхностной и объемной концентрациями «ионного» алюминия; 2) скорость поглощения «ионного» алюминия пропорциональна площади поглощающей поверхности хлопка; 3) существует стадия адсорбции, когда мономер в виде «ионного» алюминия фиксируется на поверхности хлопка, после чего «встраивается» в полимерную структуру. Скорость поглощения «ионного» алюминия хлопком принята пропорциональной поверхностной концентрации «ионного» алюминия, достигнутой на предыдущей стадии адсорбции.

Относительно концентрации «ионного» алюминия в объеме воды и свободной для адсорбции поверхности хлопка (прямая реакция) реализуется кинетика второго порядка, а относительно поверхностной концентрации «ионного» алюминия на хлопке (обратная реакция) - кинетика первого порядка

А.+Су»С8, (1)

где А, - свободная для адсорбции поверхность хлопка (поверхностная концентрация активных центров адсорбции), Су и С8 - концентрации «ионного» алюминия в объеме воды и на поверхности хлопка. Для С8 из (1) следует

~^--к|А,Су -к_,С8. (2)

К обратной реакции в (1) отнесен «отрыв» олигомеров от других участков поверхности хлопка, дающий вклад в показатель «остаточный алюминий».

Для описания процесса в реакторе введены приведенные поверхностные концентрации: величины, отнесенные к единице реакционного объема. Величины А., = 8А. и С5, = 5АС8 - поверхностные концентрации активных центров адсорбции, которые незаняты (А„) и заняты (С58) адсорбатом, распределенные в реакционном объеме (8 - удельная поверхность). В стационарном состоянии -^.=0 и

Л

к С

—=—4—=К1Л1, К,Л -константа равновесия адсорбции-десорбции. к_1 А,Су

В стационарном режиме проточного реактора полного перемешивания общая поверхность хлопьев и общая поверхностная концентрация активных центров

К А С

адсорбции А0! постоянны (А0! =А,в +СЯ), поэтому Ся — 05 У . Поглощение

1 + К.сиСУ

«ионного» алюминия хлопьями коагулянта приводит к росту массовой концентрации хлопьев. Массовая концентрация хлопьев и их численная концентрация не являются величинами, определяющими друг друга однозначно, поскольку их соотношение зависит от распределения хлопьев по размерам. На данном этапе построения модели кинетики, принималось во внимание то, что модель строится в форме описания технологического процесса, и в последующем в нее можно внести поправки. Предполагалось, что этот процесс может быть представлен кинетикой первого порядка по «ионному» алюминию ^ = кС5!а или ^ = кАа, где кА -удельная скорость прироста концентрации хлопьев коагулянта, а - численная

С

концентрация хлопьев, кЛ =кА„,——, =1/К,а,.

Данное представление позволяет отразить ряд физико-химических факторов, влияющих на процесс коагуляции: 1) увеличение К„а связано со смещением водородного показателя среды (рН) от значения, которое дает минимум растворимости гидроксида алюминия (рН = 5,5 + 6,5); 2) значение К„„ связано с углеки-слотным равновесием и введением щелочного реагента (Са(он)2, Г*'а2СО.,, КаОН); 3) увеличение Ква связано с механохимическим разрушением хлопьев коагулянта

гидродинамическими флуктуациями потока.

11

В этом кинетическом описании информация о процессе очистки воды отражается двумя константами: К„а и кАи„ (кА =кАт„ = кА0, при Су -»»). Первая является равновесной и отражает термодинамическое сродство поверхности хлопка к сорбируемым компонентам: «ионному» алюминию и органическим веществам, дающим вклад в цветность воды. Вторая отражает влияние суммарной площади поверхности хлопьев в единице объема взвешенного слоя (в единицах поверхностной концентрации активных центров адсорбции - А05, отнесенной к единице реакционного объема), т.е. отражает ход процесса коагуляции, результатом которого является определенное распределение хлопьев коагулянта по размеру. Время пребывания реакционной смеси в зоне псевдоожижженного слоя через эту величину Ам влияет на поглощение адсорбируемых веществ. Другой параметр, входящий в кд,т„, это - к, который является коэффициентом пропорциональности между поверхностной концентрацией адсорбируемых компонентов («ионного» алюминия и гуминовых веществ) и скоростью поликонденсационного роста хлопка. Величина 1/к - удельное сопротивление массопереносу. Например, 1/к для потока «ионного» алюминия на поверхность хлопка будет выше, если активные центры на поверхности блокируются адсорбированными гуминовыми веществами, т.е. 1/к может быть принята пропорциональной поверхностной концентрации органических примесей.

Математическая модель проточного реактора полного перемешивания, в котором протекают адсорбция и коагуляция, сформулирована в виде системы дифференциальных уравнений

^- = -ВкАа + чСУ0-аяС„ ~РяСу; ^ = кАа-Рда + яа,,; (3) си <11

Су - текущая концентрация «ионного» алюминия в объеме слоя взвешенного осадка, Суо - концентрация «ионного» алюминия во входящем потоке воды (доза коагулянта), а - концентрация «гидролизованного» алюминия (хлопьев коагулянта), а„ - концентрация взвеси в исходной воде (мутность), я - удельный объемный поток воды через осветлитель (д = <2/У, О - объемный расход воды через освет-

литель; V - объем зоны взвешенного осадка), аир- доли входного потока, приходящиеся на обработанную воду и отводимой в зону отстаивания (а + р = 1), В -«стехиометрический» коэффициент (степень полимеризации). В развернутом виде система (1) будет следующей

^- = -ВкА0. а + ЧСуо-ЧСу; ^ = кА„, Су а-рЧа + Ча0 (4)

ш «и

В безразмерных переменных = х, ^=т, —5— = у, (0 - время пребывания воды в осветлителе, 0 = 1/я) система (4) имеет вид

где К, =Ка„/Су0, Я = кАи0, у0 =а0/Су0. За характеристическое значение времени принято время пребывания воды в осветлителе (оценивалась по опыту эксплуатации: 0пр = 2,8 • 103 с). Выполнены оценки скорости коагуляции и характерного времени коагуляции - времени половинной коагуляции (0М). Эти оценки сделаны в рамках теории Смолуховского и теории Смолуховского-Мюллера. Последняя дала приемлемое значение 0„ =8,3 с. Оценка параметра И (кинетический критерий подобия - аналог критерия Дамкелера) дала значение 2,5 • 10', а оценка параметра В для хлопка диаметром 2 мм составила 1,9-10". Оценка К, выполнена, исходя из представления К, =КЛе,/Су0, и закона действующих масс для адсорбции, который задает соотношение занятой и незанятой поверхностей на адсорбенте: К, = ^, 5 - доля занятой мономером поверхности хлопьев коагулянта. Для

первичной оценки К, (К, =9) принято § = ОД.

Математическая модель исследована методами качественной теории дифференциальных уравнений. Стационарное состояние взвешенного слоя осадка

реализуется при —=0 и —=0, т.е. определяется системой уравнений

-ВК-^Ь—х.+1-в; К-ЬЬ—ру.+у0=0, (6)

+ X, л.,

где х,, у. - значения переменных в стационарном состоянии. Система уравнений (6) дает уравнение массового баланса

1 + Ву0=х.+рВу. или 1 + у,в=х.+Ру.в (7)

(у.в=Ву,, уов =ВЬу0, В = М./М,, Ь = М0/М,, М, - молярная масса мономерной частицы коагулянта, М, - условная молярная масса полимера хлопьев коагулянта, М„ - условная молярная масса исходной взвеси), и характеристическое уравнение

К(И-У,в)+Р(К.-1) РК, х,+ * Гк"° (8)

Полученные оценки позволили упростить характеристическое уравнение до вида

вк

х!-(1 + Уов)*. = ° или +с,=0, (9)

К

где Ь2=-(1 + у0В), с2 =рк,/Н. Для одного из примеров: у0в=6,36; 11 = 2,54-10'; Р = 0,25; К, =9, вычисление корней уравнения (9) дает х.2 »7,36; х„ =1,2-10"'. С технологической точки зрения значения этих корней могут интерпретироваться так, что при х.г « 7,36 процесс коагуляции не идет, а на выходе в потоке обработанной воды присутствует и исходная взвесь (уов =6,36), и веденный в воду коагулянт (1); при х(1 = 1,2 • 10"9 идет процесс, который дает высокую степень очистки и низкое значение показателя «остаточный алюминий». Размерное значение показателя «остаточный алюминий» составляет ёу =0,01 мг/л. При уменьшении И на 2 порядка расчет дает ёу =0,8 мг/л. Расчетные значения концентрации «остаточного алюминия» попадают в интервал значений, которые интересны для практики: 0,5 мг/л и 0,2 мг/л, т.е. модель кинетики коагуляции с учетом адсорбции может быть использована для анализа технологических ситуаций.

Линейный анализ устойчивости системы дифференциальных уравнений (5) показал, что существуют два стационарных состояния. Для первого стационарного состояния оба корня характеристического уравнения действительные и отрицательные, т.е. стационарное состояние представляет собою особую точку - устойчивый узел. При этом корни различаются на 9 порядков, и это говорит о том, что стационарное состояние может достигаться быстро или медленно в зависимости

от начальных условий. Для второго стационарного состояния корни характеристического уравнения действительные и разных знаков, т.е. стационарное состояние является неустойчивым - седловой особой точкой. Корни по абсолютной величине различаются на 8 порядков, и при этом приближение к стационарному состоянию происходит медленно, а удаление от него с большой скоростью. С точки зрения физико-химии процесса коагуляции и его технологической реализации это означает, что «первичное созревание» реакционной системы происходит медленно, но затем скорость процесса становится большой.

В четвертой главе диссертации представлены результаты вычислительного эксперимента, который выполнялся для изучения прогностических возможностей математической модели. На рисунке 2 приведен фазовый портрет системы дифференциальных уравнений (5) при следующих численных значениях безразмерных параметров: R = 50; В = 20; К, =9; р = 0,25; у„ =1-10"' и начальных условиях: 1 " Он=1;Ун=<М)> 2 - Он=1;ун=0,05), 3 - (хн=1;Ун=0,01), 4 -(хн =1 ;ун =0,005), 5 - (хн =1;Ун =0,0001).

Из этого рисунка видно, что стационарное состояние, находящееся в верхнем левом углу фазового портрета, существует и является устойчивым узлом. Одно из направлений вхождения интегральных кривых в узел является преимущественным, и все интегральные кривые входят в узел по этому направлению. Значения переменных х, и у, в стационарном состоянии показывают содержание «остаточного алюминия» в обработанной воде (х.) и хлопьев коагулянта в слое взвешенного осадка и в потоке, отводимом в зону осаждения осветлителя, (у.). Существование стационарного состояния в виде седловой точки иллюстрирует фазовый портрет, приведенный на рисунке 3.

На рисунках 4 и 5 прослежено влияние уменьшения константы десорбции от К, =200 до К, =25 при малых значениях R = 1 и относительно больших значениях В = 1-104. Сравнение показывает, что уменьшение константы десорбции К, практически не приводит к изменению концентрация хлопьев коагулянта, но в то же время наблюдается уменьшение концентрации «остаточного алюминия».

Рисунок 2. Фазовый портрет системы дифференциальных уравнений (5) модели коагуляции, проходящей в проточном реакторе полного перемешивания, при следующих значениях безразмерных параметров: R = 50; в = 20; К, = 9; ß = 0,25; у„ = 1 • 10"4; здесь ось абсцисс (х,)'2' - ось переменных х, ось ординат (х,)<3> - ось переменных у; начальные условия: 1 - (хн =1;ун =0,1), 2 - (хн =1;у„ =0,05), 3 -(-1;Ун = 0.01), 4 - (хн = 1 ;ун = 0,005), 5 - (хи = 1;ун = 0,0001).

(х:)<3> -1 |- 1 1 ■ 1 1

(хз)0 0.1 - -

М<*

(х5)<3> 005 --г•- " 1 ..........

0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Рисунок 3. Фазовый портрет системы дифференциальных уравнений (5) модели коагуляции, проходящей в проточном реакторе полного перемешивания, при следующих значениях безразмерных параметров: 11 = 50; В = 20; К, =9; р = 0,25; у0 =1-10"4; здесь ось абсцисс (х.)2> - ось переменных х, ось ординат (х<)3' - ось переменных у; начальные условия: 1 - (хн =1;у„ =0,01), 2 - (хн =1;ун =0,001), 3 -(х„ = 0,01;у„ =0,01), 4-(хн =0,01;ун = 0,005), 5 - (х„ =0,01;у„ =0,0001).

0.8 0.6 0.4 0.2 О

О 0.001 0.002 О.ООЗ 0.004

Рисунок 4. Интегральная кривая процесса коагуляции при следующих значениях параметров математической модели (5): Я = 1; В = 1Ю'; К,=200; р = 0,25; у0=ЫО"3; начальные условия: жн = 1 ;ун =0,001; ось ординат го1 - ось переменных х, ось абсцисс - ось переменных у

1 0.8 0.6

2..1

0.4 0.2 О

0 0.001 0.002 0.003 0.004

Рисунок 5. Интегральная кривая процесса коагуляции при следующих параметрах математической модели (5): 11 = 1; В = 1 • 10'; К, =25; р = 0,25; у0-1-Ю"3; начальные условия: хн =1;ун =0,001; ось ординат - ось переменных х, ось абсцисс г. з - ось переменных у

Результаты проведенных экспериментальных и теоретических исследований позволили спроектировать испытательный стенд и входящий в него лабораторный осветлитель со взвешенным осадком с поддонным осадкоуплотнителем

17

(аналог осветлителя конструкции ВНИИ ВОДГЕО). Схема стенда и лабораторный осветлитель представлены на рисунках б и 7. Опытный образец был изготовлен на предприятии ОАО «Химлабприбор» (г. Клин) и прошел успешную апробацию.

удаление излишек воздуха

удаление избыточного осадка

Рисунок 6. Технологическая схема испытательного стевда: 1 - емкость приготовления раствора; 2 - расходная емкость; 3 - смеситель; 4 - осветлитель со слоем взвешенного осадка; 5 - расходная емкость флокулянта; б - расходная емкость коагулянта.

Подача воды в осветлитель

Сбор осветленной воды

Сбор осветленной воды

Удаление

избыточного осадка

Рисунок 7. Схема лабораторного осветлителя: 1 - коническое дно; 2 - верхнее коническое днище; 3 - рабочая зона осветлителя; 4 - осадкоуплотнитель; 5 - воздухоотделитель; 6 - подача исходной воды на очистку; 7 - осадкоотводящие трубы; 8 - сбор очищенной воды; 9 - отвод избыточного осадка.

ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных данных о результатах технологических испытаний различных коагулянтов показал, что они хорошо поддаются объяснению при принятии следующих положений:

-при реагентной очистке воды процесс коагуляции имеет несколько стадий: образование зародышей новой фазы и их переход в активно растущие ядра - хлопья коагулянта, за счет присоединения мономерных частиц, образующихся при

гидролизе коагулянта, а затем коагуляции с образованием крупных осаждающихся хлопьев;

-инициаторами образования зародышей новой фазы служат механические примеси исходной воды, обуславливающие мутность, или олигомерные частицы коагулянтов на основе оксихлоридов алюминия;

-органические вещества природных вод, придающие воде цветность (гуми-новые и фульвокислоты), адсорбируются на хлопьях коагулянта и тем самым блокируют их дальнейший рост и коагуляцию, в чем проявляется структурно-механический фактор стабилизации коллоидных систем.

2. Положения, следующие из анализа литературных данных, подтверждены экспериментально наблюдениями за кинетикой коагуляции, седиментационными измерениями и измерениями размера частиц оптическим методом на имитатах природных вод пяти гидрохимических классов.

3. Выбор в качестве математической модели осветлителя со взвешенным осадком и процесса коагуляции в форме одной из моделей химического реактора не может быть сделан априори, что приводит к необходимости разработать несколько вариантов модели, которые затем могут быть сравнены между собой в вычислительном эксперименте и с экспериментальными данными при верификации модели; на данном этапе работы в качестве основы математической модели для осветлителя со взвешенным осадком выбрано описание проточного реактора полного перемешивания.

4. Приемлемые численные оценки параметров разработанной модели на основе описания проточного реактора полного перемешивания и кинетики коагуляции с учетом стадии адсорбции, показали, что для коагуляции и адсорбции примесей природных вод с применением гидролизующихся реагентов - коагулянтов, дает теория коагуляции Смолуховского-Мюллера, учитывающая ускорение коагуляции за счет слипания частиц, различающихся размерами.

5. Линейный анализ устойчивости системы дифференциальных уравнений, описывающих коагуляцию с учетом адсорбции в режиме проточного реактора полного перемешивания, показал, что существуют два стационарных состояния;

одно из этих стационарных состояний является устойчивым и представляет собою особую точку «устойчивый узел», второе стационарное состояние является неустойчивым и представляет собою особую точку «седло».

6. Фазовый портрет системы отражает две характерные стадии процесса, фиксируемые в нестационарном режиме; первая - наращивание концентрации (и массы) хлопьев коагулянта с незначительным уменьшением «остаточного алюминия» в обрабатываемой воде; вторая - снижение «остаточного алюминия» при почти постоянном значении концентрации хлопьев коагулянта.

7. Численные оценки параметров разработанной математической модели в стационарном состоянии свидетельствуют о том, что параметр «остаточный алюминий» согласуется со значениями, получаемые экспериментально и свидетельствует о работоспособности модели.

8. Кинетические зависимости, фиксирующие эволюцию реакционной системы к стационарному состоянию, т.е. пусковой режим реактора, показывают, что существует возможность неустойчивого режима; этот режим фиксируется в форме колебаний концентрации «остаточного алюминия» в отводимом потоке воды и концентрации хлопьев коагулянта в слое взвешенного осадка, а с технологической точки зрения является крайне нежелательным явлением.

9. На основании экспериментальных исследований и математического моделирования спроектирован, изготовлен и прошел первичную апробацию испытательный стенд, включающий лабораторный осветлитель со взвешенным осадком (аналог осветлителя конструкции ВНИИ ВОДГЕО с поддонным осадкоуплотни-телем), для исследований процессов очистки природных вод в динамическом режиме.

Основные положения диссертации изложены в работах

1. Буткевич Д.М., Лукашева Г.Н. Коагуляционная и адсорбционная активности коагулянтов в технологии реагентной очистки природных вод// Сборник статей VI Международной научно-практической конференции «Природно-

ресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России». Пенза, 2008.-С. 50-52.

2. Лукашева Г.Н., Буткевич Д.М. К систематизации результатов сравнительных испытаний коагулянтов при очистке воды// Технологии нефти и газа, 2008. - № 3 (56). - С.10 - 17.

3. Лукашева Г.Н., Буткевич Д.М. Анализ результатов сравнительных испытаний коагулянтов при очистке воды// Технологии нефти и газа, 2008. - № 4 (57). -С.16-20.

4. Буткевич Д.М., Лукашева Г.Н., Шлячков H.A., Беляева Е.И. Результаты сравнительных исследований коагулирующей способности сульфата и оксихло-рида алюминия на имитатах природных водII Материалы всероссийской научной конференции аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы сервиса и туризма». М.: ФГОУВПО «РГУТиС», 2008. -ч. 2. - С. 180 -186.

5. Лукашева Г.Н., Буткевич Д.М. Математическое моделирование процесса коагуляции в слое взвешенного осадка осветлителя// Инновационная среда/ Международный сборник статей. М.: Государственная академия инноваций, 2008. - № 2.-С. 5-13.

6. Лукашева Г.Н., Буткевич Д.М. Математическая модель коагуляции, протекающей в проточном реакторе полного перемешивания// Теоретические и прикладные проблемы сервиса, 2009. - № 1 (30). - С. 32 - 38.

Отпечатано в полном соответствии с качеством представленного оригинал-макета

Подписано в печать 21.04 2009. Формат 60x90 1/16 Бумага 80 г/м2 Гарнитура «Тайме». Ризография. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 177.

Издательство Московского государственного университета леса 141005, Мытищи-5, Московская обл., 1-ая Институтская, 1, МГУЛ E-mail: izdat@mgul.ac.ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ СРАВНИТЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ КОАГУЛЯНТОВ

ПРИ ОЧИСТКЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПРИРОДНЫХ ВОД

1.1. Обзор результатов сравнительных испытаний коагулянтов при очистке воды

1.2. Систематизация и анализ результатов сравнительных испытаний коагулянтов при очистке воды.

1.3. Некоторые подходы к теории и математическому моделированию коагулирующих систем.

1.3.1. Обзор некоторых работ, характеризующих современное состояние теории образования новой фазы.

1.3.2. Обзор некоторых работ, посвященных прикладным вопросам коагуляции и адсорбции.

1.4. Выводы по материалам главы 1 и постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОАГУЛИРУЮЩЕЙ

СПОСОБНОСТИ СУЛЬФАТА И ОКСИХЛОРИДА АЛЮМИНИЯ НА ИМИТАТАХ ПРИРОДНЫХ ВОД.

2.1. Методика сравнительных исследований коагулирующей способности сульфата и оксихлорида алюминия на имитатах природных вод.

2.1.1. Приготовление имитатов природных вод.

2.1.2. Методика проведения экспериментов по коагуляции.

2.1.3. Методика и результаты экспериментов по определению размера частиц гидрозоля гидроксида алюминия.

2.1.3. Методика и результаты экспериментов по седиментации частиц гидрозоля гидроксида алюминия.

2.2. Анализ и обсуждение результатов экспериментальных исследований коагулирующей способности сульфата и оксихлорида алюминия на имитатах природных вод.

2.3. Выводы по материалам главы 2.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КОАГУЛЯЦИИ

В РЕЖИМЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОСВЕТЛИТЕЛЯ

СО ВЗВЕШЕННЫМ ОСАДКОМ.

3.1. Общая стратегия при разработке математических моделей коагуляции для различного типа реакторов со слоем взвешенного осадка хлопьев коагулянта.

3.2. Математическая модель проточного реактора полного перемешивания для процесса осветления в слое взвешенного осадка при кинетике коагуляции, подчиняющейся уравнению Смолуховского.

3.2.1. Кинетика коагуляции по Смолуховскому и время пребывания в проточном реакторе полного перемешивания.

3.2.2. Кинетика и динамика адсорбции при коагуляции.

3.2.3. Система дифференциальных уравнений для проточного реактора полного перемешивания при коагуляции и адсорбции.

3.3. Оценки параметров математической модели.

3.3.1. Оценка характерного значения времени модели — времени пребывания обрабатываемой воды в осветлителе.

3.3.2. Оценка скорости и времени коагуляции — времени половинной коагуляции

3.4. Выводы по материалам главы 3.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЗВЕШЕННОГО

СЛОЯ ОСАДКА ХЛОПЬЕВ КОАГУЛЯНТА.

4.1. Исследование математической модели взвешенного слоя осадка хлопьев коагулянта методами качественной теории дифференциальных уравнений

4.1.1. Стационарные состояния.

4.1.2. Линейный анализ устойчивости стационарных состояний.

4.2. Вычислительный эксперимент и качественная верификация математической модели.

4.2.1. Фазовый портрет системы дифференциальных уравнений.

4.2.2. Динамика формирования слоя взвешенного осадка хлопьев коагулянта.

4.3. Постановка задачи проектирования испытательного стенда для исследования процесса коагуляции в динамике проточного реактора, моделирующего осветлитель со взвешенным осадком.

4.3.1. Обобщенная формулировка задачи проектирования.

4.3.2. Проектирование лабораторного осветлителя со взвешенным осадком для испытательного стенда

4.4. Выводы по материалам главы 4.

Диссертация посвящена разработке математической модели коагуляции для процесса осветления при обработке коагулянтами и флокулянтами поверхностных природных вод в осветлителях со взвешенным осадком.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Проблемы экологии и здоровья населения достаточно остро стоят во многих странах и регионах. Одна из проблем этого комплекса - это качество питьевой воды. Известно, что длительное потребление некачественной питьевой воды является причиной различных соматических заболеваний. Серьезность проблемы для Российской Федерации представлена в Федеральной целевой программе «Чистая вода».

В настоящее время в Российской Федерации более тысячи городов (99 %) и около двух тысяч поселков городского типа (81 %) имеют централизованные системы водоснабжения. Мощность водопроводов достигла в настоящее время примерно 102,5 млн. о о м /сут, в том числе коммунальных - 53,1 млн. м /сут. Источниками централизованного водоснабжения служат поверхностные воды, доля которых в общем объеме водозабора составляет 68 %, и подземные воды - 32 %. Около 90 % поверхностной и 30 % подземной воды подвергается очистке. Поверхностная вода в основном проходит традиционную двухступенчатую очистку с отстаиванием и осветлением в слое взвешенного осадка и скорым фильтрованием; часть воды обрабатывается по одноступенчатой схеме на контактных осветлителях. Основным технологическим приемом удаления из воды различных примесей является обработка ее коагулянтом. Однако действующие очистные сооружения не могут обеспечить надлежащей очистки. По данным Госсанэпиднадзора России, качество питьевой воды, производимой коммунальными и ведомственными водопроводами, продолжает оставаться неудовлетворительным. Причинами тяжелого положения на большинстве водопроводов является продолжающееся загрязнение водоисточников, а также то, что схема очистки не соответствует качеству воды водоисточника. Многие специалисты, например, Драгинский В.Л., отмечают, что для осветления маломутных цветных вод после обработки коагулянтом достаточно часто применяют отстойники или осветлители со взвешенным осадком, в которых отстаивания воды не происходит, а взвешенный слой не образуется. В таких случаях только за счет совершенствования реагентной обработки воды не всегда удается исправить ситуацию.

Другие примеры: контактные осветлители эксплуатируется в условиях периодического повышения мутности воды до 200 мг/л в паводки (весной и осенью) или в период дождей; медленные фильтры используются для очистки воды водоисточника, имеющего цветность воды 60 - 80 град. В таких случаях, прежде всего, необходима реконструкция очистных сооружений с устройством второй ступени очистки, и только после этого можно говорить о поиске оптимальных режимов реагентной очистки и эффективных коагулянтов.

В соответствии с современными требованиями к качеству питьевой воды технологии водоподготовки должны обеспечивать содержание остаточного алюминия не более

0,2 мг/л в отличие от ранее принятого норматива 0,5 мг/л. Однако многие водопроводные станции РФ не могут не только обеспечить норматив 0,2 мг/л, но и ранее принятое значение 0,5 мг/л, особенно в сезоны паводков.

Основной тенденцией использования реагентов в России является переход при коагуляции от сернокислого алюминия к оксихлоридам или полиоксихлоридам алюминия. Однако, несмотря на успехи в применении этого класса реагентов, во многих случаях поставленная задача не может быть решена. Причины этого до сих пор остаются невыясненными, и в связи с этим стоит задача анализа и систематизации результатов, полученных в технологических экспериментах. Поскольку технологический процесс является сложным и зависящим от многих факторов, его анализ может быть выполнен только на адекватной математической модели, которая бы соответствовала тем особенностям протекания процесса коагуляции, которые определяют эффективность очистки воды.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключалась:

1) в систематизации и анализе результатов технологических экспериментов при использовании для очистки воды различных коагулянтов и флокулянтов;

2) в разработке физико-химической модели коагуляции на основе современных представлений о формировании новой фазы;

3) в проведении экспериментальных исследований, подтверждающих предложенные механизмы формирования хлопьев коагулянта;

3) в разработке математической модели коагуляции для процесса очистки воды в осветлителях со взвешенным осадком и ее исследовании;

4) в проектировании испытательного стенда, позволяющего проводить эксперименты в динамическом режиме. i

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Для процесса осветления воды разработана новая кинетическая схема, включающая одновременное протекание коагуляции и адсорбции. Разработана математическая модель процесса осветления воды, реализуемого в осветлителях со взвешенным осадком, в которой принят режим проточного реактора полного перемешивания. Выполнены оценки для разных теорий коагуляции, показавшие, что для описания процесса обработки воды коагулянтами наиболее приемлемыми среди классических тсорий является теория Смолуховского-Мюллера. Обосновано применение разработанной модели для управления качеством обрабатываемой воды по параметру «остаточный алюминий».

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Различия в эффективности коагулянтов объяснены на основе разработанной кинетической схемы, включающей стадии образования зародышей новой фазы, их рост по механизму адсорбции и поликонденсации с последующей коагуляцией с формированием хлопьев. Предложенные стадии и механизмы коагуляции обоснованы экспериментами на имитатах природных вод. Методами вычислительного эксперимента показана возможность управления качеством воды по параметру «остаточный алюминий». Спроектирован, изготовлен и апробирован лабораторный осветлитель со взвешенным осадком и испытательный стенд для исследования процесса осветления воды в динамическом режиме.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ: (1) результаты систематизации и анализа технологических экспериментов по очистке воды обработкой различными коагулянтами и гипотетические механизмы формирования новой фазы; (2) физико-химическая модель динамики осветления воды при коагуляции в осветлителях со взвешенным осадком; (3) математические модели коагуляции в режиме динамики осветления в осветлителях со взвешенным осадком; (4) результаты расчетов по математической модели и их качественная физико-химическая интерпретация; (5) проект лабораторного стенда аналога осветлителя со взвешенным осадком для исследования динамики процесса очистки воды коагулированием.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы докладывались на конференциях аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы сервиса и туризма» (Москва, МГУС, 2007; Москва, РГУТиС, 2008), на VI-й Международной научно-практической конференции «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2008).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований опубликовано 5 статей, из них 2 - в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитированной литературы. Объем диссертации составляет 186 страниц; он включает 114 страниц основного машинописного текста, 75 таблиц, 78 рисунков, выводы, список цитированной литературы (122 наименования) и приложение (29 страниц).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Многочисленные и разноречивые данные технологических испытаний различных коагулянтов на различных природных водах наиболее хорошо поддаются объяснению при принятии следующих положений:

-при реагентной очистке воды процесс коагуляции имеет несколько стадий: образование зародышей новой фазы и их переход в активно растущие ядра - хлопья коагулянта, за счет присоединения мономерных частиц, образующихся при гидролизе коагулянта, а затем коагуляции с образованием крупных осаждающихся хлопьев;

-инициаторами образования зародышей новой фазы служат механические примеси исходной воды, обуславливающие мутность, или олигомерные частицы коагулянтов на основе оксихлоридов алюминия;

-органические вещества природных вод, придающие воде цветность (гуминовые и фульвокислоты), адсорбируются на хлопьях коагулянта и тем самым блокируют их дальнейший рост и коагуляцию, в чем проявляется структурно-механический фактор стабилизации коллоидных систем.

2. Анализ подходов к теории формирования новой фазы и математических моделей, описывающих коагуляцию, показал, что с учетом механизмов процесса описываются только отдельные стадии (коагуляция, адсорбция), а при разработке математических моделей суммарного процесса используются формализованные методы, например, регрессионный анализ и другие, не учитывающие механизмов отдельных стадий.

3. Эффективному прохождению коагуляции и образованию крупных хлопьев коагулянта, способствует интенсивное перемешивание в начале процесса и перемешивание с очень низкой интенсивностью («размешивание») на последующих стадиях процесса, что отличает рассматриваемую технологическую систему от классических коллоидных систем, когда коагуляция включает две стадии: перикинетическую, не требующую перемешивания, и ортокинетическую, требующую перемешивания.

3. Качественно динамика процесса коагуляции имеет следующую картину: в начале процесса при интенсивном перемешивании происходят процессы, не наблюдаемые визуально; далее происходит помутнение системы, которое заканчивается формированием хлопьев; при этом хлопья могут быть и мелкими, и крупными, а описанные три стадии процесса могут иметь различную протяженность во времени.

4. Режим реактора периодического действия может давать только качественную картину изменения характера процесса коагуляции при изменении того или иного параметра и не может дать той информации, которая необходима для моделирования технологического процесса в производственных условиях; для адекватного представления процесса коагуляции требуется математическая модель динамики процесса и лабораторное оборудование, позволяющее проводить процесс в режиме проточного реактора.

5. Выбор в качестве математической модели осветлителя со взвешенным осадком и процесса коагуляции в форме одной из моделей химического реактора не может быть сделан априори, что приводит к необходимости разработать несколько вариантов модели, которые затем могут быть сравнены между собой в вычислительном эксперименте и с экспериментальными данными при верификации модели; на данном этапе работы в качестве основы математической модели для осветлителя со взвешенным осадком выбрано описание проточного реактора полного перемешивания.

6. Приемлемые численные оценки параметров разработанной модели на основе описания проточного реактора полного перемешивания и кинетики коагуляции с учетом стадии адсорбции, показали, что для коагуляции и адсорбции примесей природных вод с применением гидролизующихся реагентов — коагулянтов, дает теория коагуляции Смолу-ховского-Мюллера, учитывающая ускорение коагуляции за счет слипания частиц, различающихся размерами.

7. Линейный анализ устойчивости системы дифференциальных уравнений, описывающих коагуляцию с учетом адсорбции в режиме проточного реактора полного перемешивания, показал, что существуют два стационарных состояния; одно из этих стационарных состояний является устойчивым и представляет собою особую точку «устойчивый узел», второе стационарное состояние является неустойчивым и представляет собою особую точку «седло»; фазовый портрет системы отражает две характерные стадии процесса, фиксируемые в нестационарном режиме; первая — наращивание концентрации (и массы) хлопьев коагулянта с незначительным уменьшением «остаточного алюминия» в обрабатываемой воде; вторая - снижение «остаточного алюминия» при почти постоянном значении концентрации хлопьев коагулянта.

8. Численные оценки параметров разработанной математической модели в стационарном состоянии свидетельствуют о том, что параметр «остаточный алюминий» согласуется со значениями, получаемые экспериментально; это свидетельствует о работоспособности модели.

9. Кинетические зависимости, фиксирующие эволюцию реакционной системы к стационарному состоянию, т.е. пусковой режим реактора, показывают, что существует возможность неустойчивого режима; этот режим фиксируется в форме колебаний концентрации «остаточного алюминия» в отводимом потоке воды и концентрации хлопьев коагулянта в слое взвешенного осадка, а с технологической точки зрения является крайне нежелательным явлением.

179

1. Драгинский В.Л., Алексеева Л.П., Гетманцев С.В. Коагуляция в технологии очистки природных вод. М.: Научное издание, 2005. — 576 с.

2. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. М.: Наука, 1977. — 355 с.

3. Кульский Л.А., Строкач П.П. Технология очистки воды. Киев: Вища школа, 1981.-327 с.

4. Вейцер Ю.И., Минц Д.М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистг ки природных и сточных вод. М.: Стройиздат, 1984. 200 с.

5. Лукашев Е.А. Моделирование кинетики ассоциативных реакций в начальной стадии гидролиза коагулянта// Химия и технология воды, 1992. т. 14, № 9. - С. 658 — 666.

6. Лукашев Е.А., Моисеев А.В., Драгинский В.Л. Образование, рост и разрушение хлопьев коагулянта при очистке природных вод. Математическая реконструкция процесса// Теоретические и прикладные проблемы сервиса, 2004. № 3 (12). — С. 37 - 46.

7. Моисеев А.В., Драгинский В.Л., Лукашев Е.А. Образование, рост и разрушение хлопьев коагулянта при очистке природных вод. Результаты эксперимента// Теоретические и прикладные проблемы сервиса, 2004. № 4 (13). — С. 3 — 12.

8. Ray N.H. Inorganik polymers/ London: Acad, press., 1978. - 174 p.

9. Черкинский Ю.С. Химия полимерных вяжущих веществ. Л.: Химия, 1967.224 с.

10. Gimblett F.G.R. Inorganic polymer chemistry. London: Butterworths, 1963. - 4521. P

11. Реми Г. Курс неорганической химии: в 2-х т. — М.: Мир, 1972. т. 1. — 824 е., т. 2.-836 с.

12. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. М.: Наука, 1987. -398 с.

13. Овчинников А.А., Тимашев С.Ф., Белый А.А. Кинетика диффузионно-контролируемых процессов. М.: Химия, 1986. — 288 с.

14. Семенов Н.Н. Цепные реакции. М.: Наука, 1986. 535 с.

15. Берлин Ал.Ал., Вольфсон С.А., Ениколопян Н.С. Кинетика полимеризационпых процессов. М.: Химия, 1978. 319 с.

16. Лукашева Г.Н., Буткевич Д.М. К систематизации результатов сравнительных испытаний коагулянтов при очистке природных вод// Технологии нефти и газа, 2008. № 3 (56). - С.10 - 17.

17. Лукашева Г.Н., Буткевич Д.М. Анализ результатов сравнительных испытаний коагулянтов при очистке природных вод// Технологии нефти и газа, 2008. № 4 (57). — С.16-20.

18. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1975. 512 с.

19. Щукин Е.Д., Перцов А.А., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: МГУ, 1982 .352 с.

20. Применение современных химических реагентов для обработки маломутных цветных вод/ С.Г. Гумен, И.Н. Дариенко, Е.А. Евельсон, Л.П. Русанова// Водоснабжение и санитарная техника, 2001. № 3.

21. Соренссон О. Полиалюмохлорид современный флокулянт для водоочистки// Водоснабжение и санитарная техника, 2001. - № 3.

22. Изучение эффективности новых отечественных реагентов на водопроводной станции г. Сарапула/ Д.В. Константинов, Н.Б. Помосова, А.Е. Татура, С.В. Снигирев// Водоснабжение и санитарная техника, 2003. № 9.

23. Линевич С.Н., Нарочная В.М., Гетманцев С.В. Улучшение водоподготовки на водопроводе. Новочеркасская ГРЭС пос. Донской// Водоснабжение и санитарная техника, 2004. - № 9.

24. Гетманцев С.В., Линевич С.Н., Казанов Л.С. Коагуляционная водообработка на Таманском групповом водопроводе// Водоснабжение и санитарная техника, 2004. № 9.

25. Исследование пневматического перемешивания коагулированной воды с целью хлопьеобразования/ А.В. Бутко, Е.Ф. Кургаев, В.А. Михайлов, В.А. Лысов// Химия и технология воды, 1991. т. 13, № 4.

26. Ланге Л.Р., Вагина М.П. Михеева Г.Ф. Подбор высокоэффективных реагентов для очистки питьевой воды г. Новокузнецка// Тез. докл. Междунар. научно-практ. конф. Кемерово, 1999.

27. Гридасов В.В., Вагина М.П., Ланге Л.Р. Реагенты, применяемые на водоочистных сооружениях г. Новокузнецка, для очистки питьевой воды// Труды VI Научно-практической конференции «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность». Кемерово, 2004.

28. Анисимов М.П. Нуклеация: теория и эксперимент// Успехи химии, 2003. — т. 72, №5.-С. 1 -44.

29. Lothe J., Pound G.II J. Chem. Phys., 1962. v. 36. - P. 2080.

30. Репке Г. Неравновесная статистическая механика. М.: Мир, 1990.

31. Senger В., Sehaaf P., Corti D.S., Bowles R., Voegel J.-C., Reiss H.// 31 Chem Phys., 1999.-v. 110.-P. 6421.

32. Dillmann A., Meier G.E.A.// J. Chem. Phys., 1991. v. 94. - P. 3872.

33. Reiss H., Bowles R.//J. Chem. Phys., 2000. v. 112, N 3 . - P. 1390.

34. Anisimov M., Норке P., Shaimordanov I., Shandakov S., Magnusson L.E.// J. Chem. Phys., 2001.-v. 115.-P. 810.

35. Журавлев Н.Д., Ролдугин В.И., Тихонов А.П.// Коллоидный журнал, 1999. т. 61.-С. 322.

36. Губин С.П., Кособудский И.Д.// Успехи химии, 1983. т. 52. - С. 1350.

37. Козинкин С.П., Губин С.П.// Неорганические материалы, 1994. т. 30. - С. 678.

38. Derjagin B.V.//J. Chem. Phys., 1974. v. 61. - P. 3665.

39. Погорелова С.П., Плавник Г.М. Тихонов А.П., Пудряева Т.П.// Коллоидный журнал, 1999. т. 61. - С. 100.

40. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. M.-JL: Наука, 1975. -424 с.

41. Rasmussen D.H., Liang М., Esen Е., Appleby M.R.// Langmuir, 1992. -v. 8. P.1868.

42. Rasmussen D.H.// Aerosol Sci. Technol., 1996. v. 5. - P. 438.

43. Rasmussen D.H.// J. Crystal Growth., 1982. v. 56. - P. 45.

44. Tauer K., Padtberg K.// Nucleation and Atmospheric Aerosols/ Eds B. Hale, K. Kul-mala. NY, AIP, Melville, 2000. P. 432.

45. Федоров И.Б., Калашников Е.Г., Шоршоров M.X.// Физика и химия обработки материалов, 1981.-т. 1. —С. 65.

46. Schneyder S., Thiyagarajan P., Johnson W.L.// Appl. Phys. Lett., 1996. v. 68. - P.493.

47. Becker R., During W.// Ann., Phys. (Folge 5), 1935. v. 24. - P. 712.

48. Weber A., Friedlander S.// J/ Aerosol Sci., 1997. v. 28, N 2. - P. 179.

49. Лен Ж.-М. Супрамолекулярная химия. Новосибирск: Наука, 1998.

50. Никитин Б.А. Избранные труды. Исследования по химии благородных газов. М.-Л.: АН СССР, 1956.

51. Powell Н.М. Inclusion Compounds// Eds J. L. Atwood, J.E.D. Davies, D.D. MacNi-col/ London: Academic Press, 1984. P.l.

52. Van der Waals J.H., Platteuw J.C.// Adv. Chem. Phys., 1959. v. 2. - P.L

53. Barrer R.-M., Stuart W.I.//Proc. Roy. Soc., 1957. v. 243. A. - P. 172.

54. Van Leeuwen J., Daly R., Holmes M. Modelling the treatment of drinking water to maximize dissolved organic matter removal and minimize disinfection by-product formation// Desolination, 2005. v. 177. - P. 81-89.

55. Bazer-Bachi A., Puech-Coste E., Ben Aim R., Probst J.I.// Revue des Sciences de ГЕаи, 1990.-N3. -P. 377-397.

56. Ellis G.W., Collins A.G., Ge X., Ford C.R.// J. Environ. Engng., 1991. v. 117, N 3. -P 308-319.

57. Girou A., Franceschi M., Puech-Coste E., Humbert L.// Recents Prog. Genie Pro-cedes, 1992.-v. 6, N20.-P. 373-385.

58. Ratnaweera H., Blom H.// Wat. Supp., 1995. v. 13, N 3/4. - P. 285 - 289.

59. Edwards M.// J. AWWA, 1997. v. 89, N 5. - P 78 - 89.

60. Urfer D., Huck P.M., Gagnon G.A., Multi D., Smith F.// J. AWWA, 1999. v. 91, N 3.-P. 59-73.

61. Baxter C.W., Stanely S.J., Zhang Q.// J. Water SRT Aqua, 1999. - v. 48, N 4. - P. 129- 136.

62. Stanly S., Baxter C., Zhang Q., Shariff R// Process modeling and control of enhanced coagulation. AWWA Research Foundation and American Water Works Association, 2000.

63. Van Leeuwen J.A., Fabris R., Sledz L., Van Leeuwen J.K.// International Congress on Modelling and Simulation. MODSIM 2001. Canberra, Australia. - P. 1907 - 1912.

64. Van Leeuwen J.A., Heidenreich C., Holmes M., Kastl G., Fisher I., Nguyen Т., Oem-cke D., Craig K., Bursill D.// Ozwater, Perth, Western Australia, 2003.

65. Kastl G., Sathasivan A., Fisher I., Van Leeuwen J.A.// J. AWWA, 2004. v. 98, N 2. -P. 79-89.

66. Cordelair J., Greil P. Flocculation and coagulation kinetics of AI2O3 suspensions// J. Europ. Ceram. Soc., 2004. v. 24. - P. 2717 - 2722.

67. Levis J.A. Colloidal processing of ceramics// J. Am. Ceram. Soc., 2000. v. 83, N 10.-P.2341.

68. Lange F.F. Powder processing science and technology for increased reliability// J. Am. Ceram. Soc., 1989. v. 72, N 1. - P. 3 - 15.

69. Hutter M. Local structure evolution in particle network formation studied by Brownian dynamics simulations// J. Coll. Interface Sci., 2000. v. 231. - P. 337 - 350.

70. Ermak D.I., McCammon J.A. Brownian dynamics with hydrodynamic interactions// J. Chem. Phys., 1978. v. 69, N 4. - P. 1352 - 1360.

71. Jackson J.D. Classical Electrodynamics. Wiley/VCH, Weinheim, 1998.

72. Cordelair J., Greil P. Application of the method of images on electrostatic phenomena in aqueous AI2O3 and ZrC>2 suspensions// J. Coll. Interface Sci., 2003. v. 265, N 2. - P. 359 -371.

73. Israelachvili J.N. Intermolecular and Surface Forces. Academic Press. London, 1995.

74. Haarhoff J., Olivier J. GAC performance at three Southern African water treatment plants// water SA Special Edition: WISA Proceedings, 2002. P. 37 - 42.

75. Gadd G.M. Microbial control of heavy metal pollution/Microbial Control of Pollution/ Eds: J.C. Fry, G.M. Gadd, R.A. Herbert, C.W. Jones, I.A. Watson-Craik/ Symposium, 1992.-v. 48.-P. 59-88.

76. Tsezos M. Engineering aspects of metal binding by biomass/ Microbial Mineral Recovery/ Eds: H.L. Ehrlich, C.L. Brierley/ N.Y.: McGraw-Hill, 1990. P. 325 - 339.

77. Tsezos M., Deutschmann A.A. An investigation of engineering parameters for the use of immobilized biomass particles in biosorption// J. Chem. Tech. Biotechnol., 1990. v. 48. - P. 29-39.

78. Tsezos M., Deutschmann A.A. The use of a mathematical model for the study of the important parameters in immobilized biomass biosorption// J. Chem. Tech. Biotechnol., 1992. — v. 53.-P. 1-12.

79. Sincero A.P., Sincero G.A. Environmental Engineering, A Design Approsch. New Jersey: Prentice-Hall, 1996.

80. McCabe W.L., Smith J.C., Harriot P. Unit Operations of Chemical Engineering. 5th edn, McGraw-Hill, 1993.

81. Weber Jr. W.J., McGinley P.M., Katz L.E. Sorption phenomena in subsurface systems: concept, models and effects on contaminant fate and transport, review paper// water Res., 1991. v. 25, N 5. - P. 499 - 528.

82. Hatzikioseyian A. Design and Economic Analysis of a Biosorption Process for the Removal of Low Level Metal Ion Contaminants from Waste Water. MSc Dissertation. University of Manchester Institute of Science and Technology. UMIST, UK, 1992.

83. Yang J., Volesky B. Removal and concentration of uranium by seaweed biosorption// Proceedings of International Biohydrometallurgy Symposium (IBS 99). Madrid 20 23 June 1999. - Part B.-P 483-492.

84. Brierley J.A. Production and application of a Bacillus-based product for use in metal biosorption//Biosorption of Heavy Metals. Boca Raton: CRC Press, 1990.-P. 305-311.

85. Tsezos M., McGready R.G.L. The pilot plant testing of the continuous extraction of radionuclides using immobilized biomass// Environmental Biotechnology for Waste Treatment. Eds: G.S. Sayler, R. Fox, J.W. Blackburn/ Premium Press, 1990. P. 249 - 260.

86. Tsezos M., Georgousis Z., Remoudaki E. Ionic competition effects in a continuous uranium biosorption recjvery process// J. Chem. Technol. Biotechnol., 1997. v. 70. - P. 198 — 206.

87. Tsezos M., Georgousis Z., Remoudaki E. Mechanism of aluminum interference on uranium biosorption by Rhizopus arrhizus// Biotechnol. Bioeng., 1997. v. 55, N 1. - P. 16 -27.

88. Hatzikioseyian A., Tsezos M., Mavituna F. Application of simplified rapid equilibrium models in simulating experimental breakthrough curves from fixed bed biosorption reactors// Hydrometallurgy, 2001. v. 59. - P. 395 - 406.

89. Киршанкова E.B. Ультразвуковая электрокоагуляционная очистка сточных вод от поверхностно-активных веществ. Автореф. дисс. . канд. техн. наук. М.: МГУИЭ, 2006. -17 с.

90. Систер В.Г., Киршанкова Е.В. Применение ультразвуковых технологий в процессе электрокоагуляционной очистки сточных вод от ПАВ// Химическое и нефтехимическое машиностроение, 2005. № 10. - С. 38 - 39.

91. Систер В.Г., Киршанкова Е.В., Карпова Е.В. Использование акустических колебаний в различных методах очистки сточных вод от органических примесей// Химическое и нефтехимическое машиностроение, 2005. № 11. — С. 32 — 33.

92. Судиловский П.С. Разработка совмещенного флотационпо-мембранного процесса очистки сточных вод от тяжелых металлов. Автореф. дисс. . канд. техп. наук. М.: РХТУ им Д.И. Менделеева, 2007. 16 с.

93. Трушин A.M., Каграманов Г.Г., Судиловский П.С. Исследование флотационной очистки при мембранном диспергировании воздуха// Химическая технология, 2005. — № 2. -С. 39-43.

94. Судиловский П.С., Каграманов Г.Г., Колесников В.А. Применение мембранной флотации в водоподготовке и очистке сточных вод// Успехи в химии и химической технологии, 2004.-т. 18,№ 1 (41). — С. 68-71.

95. Kagramanov G.G., Kolesnikov V.A., Trushin A.M., Sudilovskiy P.S. Integration de la flotaion et des procedes membranaires dans Tepuration des eaux// Recents Progres en Genie des Procedes, 2006. N 93. - P. 49 - 60.

96. Kagramanov G.G., Kolesnikov V.A., Sudilovskiy P.S. New Flotaion Processes amd Equipment for Wastewaters Purification// 2 Meeting of the NATO-CCMS Pilot Study Phase II. Abstract Booklet/ Hungary, Budapest, 2004. - P. 19 - 20.

97. Kagramanov G.G., Sudilovskiy P.S., Trushin A.M. Purification of Wastewater by Membrane Flotaion// 2005 Annual Meeting of the NATO-CCMS Pilot Study on Clean Products and Processes. Abstract Proceedings/ Norway, Aalesund, 2005. P. 12.

98. Yang Н. Study on coagulation property of metal-polysilicate coagulants in low turbidity water treatment// J. Zhejiang University Science, 2004. v. 5, N 6. - P. 721 - 726.

99. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дсперсные системы. М.: Химия, 1982. 400 с.

100. Запольский А.К., Баран А.А. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. Л.: Химия, 1987. С. 87.

101. Гетманцев С.В. и др. Особенности механизма коагуляции и строения полиок-сихлорида алюминия// Водоснабжение и санитарная техника, 2003. № 9. — С. 25.

102. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: ООО ТИД Альянс, 2005. 753 с.

103. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. М.: Химия, 1969.-622 с.

104. Общая химическая технология. Т.1. Теоретические основы химической технологии/ И.П. Мухленов, А.Я. Авербух, Е.С. Тумаркина, И.Э. Фурмер/ Под ред. И.П. Мух-ленова. М.: Высшая школа, 1984. —256 с.

105. Кутепов A.M., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. М.: Высшая школа, 1985. 448 с.

106. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1971.-496 с.

107. Протодьяконов И.О., Люблинская И.Е., Рыжков А.Е. Гидродинамика и массо-обмен в дисперсных системах жидкость твердое тело. Л.: Химия, 1987. - 335 с.

108. Маслов В.П., Данилов В.Г., Волосов К.А. Математическое моделирование процессов тепломассопереноса. Эволюция диссипативных структур. М.: Наука, 1987. — 352 с.

109. Девятое Б.Н., Демиденко Н.Д. Теория и методы анализа управляемых распределенных процессов. Новосибирск: Наука, 1983. — 272 с.

110. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. Элементарные функции. М.: Наука, 1981. 800 с.

111. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. Дополнительные главы. М.: Наука, 1986. — 800 с.118. СНиП

112. Кожинов В.Ф. Очистка питьевой и технической воды. Примеры и расчеты. М.: Изд-во литературы по строительству, 1971. — 303 с.

113. Краткий справочник физико-химических величин/ Под ред. К.П. Мищенко, А.А. Равделя. Л.: Химия, 1967. 182 с.

114. Шутова А.И. Задачник по коллоидной химии. М.: Высшая школа, 1966. 88 с.

115. Шахпаронов М.И. Механизмы быстрых процессов в жидкостях. М.: Высшая школа, 1980.-352 с.