автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Повышение эффективности очистки сточных вод текстильных предприятий от органических загрязнений с применением ультразвука

0046

0595

На правах рукописи

КЕРЕМЕТИН ПЕТР ПЕТРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ТЕКСТИЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 ОКТ ?010

004610595

На правах рукописи

КЕРЕМЕТИН ПЕТР ПЕТРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ТЕКСТИЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина» на кафедре «Процессы, аппараты химической технологии и безопасность жизнедеятельности».

Защита состоится « ^ -/ » октября 2010 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.139.03 при Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина по адресу: 119071, г. Москва, Малая Калужская, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Кошелева Мария Константиновна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кабанов Александр Николаевич

кандидат технических наук, профессор Захарова Антонина Александровна

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности» (ГОУ ВПО «РосЗИТЛП»)

Автореферат разослан « 1 / »

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

А.В. Фирсов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема очистки сточных вод и повторного использования очищенной воды в технологических целях имеет особое значение для текстильной промышленности, причем наибольший расход воды приходится на красильно-отделочное производство, где удельное количество сточных вод составляет 200...350 м3, а содержание поверхностно-активных веществ, красителей и других органических примесей в них составляет 70...80 кг на 1 т продукции.

Сложный состав сточных вод данного производства обуславливает трудности выбора технологии и режимов очистки. В последние годы при строительстве и реконструкции различного рода станций нейтрализации и очистных сооружений широкое распространение получил способ очистки сточных вод на основе магнетита, являющегося вторичным продуктом в гальваническом производстве. Указанный способ очистки загрязненных вод особенно эффективен по отношению к органическим загрязнениям, таким как красители, поверхностно-активные вещества, нефтепродукты. Промышленные стоки, содержащие такого рода загрязнения, составляют значительный объем сточных вод в химической, текстильной и смежных с ними отраслях промышленности. В связи с этим разработка и аппаратурное оформление эффективных схем очистки подобных стоков является одним из приоритетных направлений в решении проблемы охраны окружающей среды. Реагент-иын, па основе магнетита, способ очистки загрязненной воды, называемый гальванокоагуляционным, как наиболее эффективный в экологическом плане, рекомендуется к использованию ЮНЕСКО.

Практическая реализация реагентного, на основе магнетита, способа очистки промышленных стоков, возможна на основе соответствующего математического описания, которое в настоящее время отсутствует, что не позволяет обоснованно выбрать оптимальные режимно-конструктивные параметры его реализации. В равной степени это относится и к вопросам, связанным с интенсификацией указанного процесса при использовании ультразвукового воздействия. Практическая реализация этого способа при реагентной очистке на основе магнетита также связана с необходимостью разработки математической модели и алгоритмов расчета эффективности ультразвуковой обработки.

Цель работы заключалась в повышении эффективности процесса реагентной, на основе магнетита, очистки содержащих органические загрязнения сточных вод текстильных и других предприятий и в разработке методов расчета, позволяющих определить оптимальные режимно-конструктивные параметры его реализации с использованием ультразвука.

Указанная цель достигается решением следующих задач:

- Исследованием и разработкой математического описания процесса очистки сточных вод от органических загрязнений с помощью магнетита, предварительно обработанного ультразвуком, позволяющего определить оптимальные параметры процесса;

- Выбором рационального технологического режима и конструктивного оформления очистных установок на основе проведенных лабораторных экспериментов и сопоставительного анализа эффективности альтернатив-

пых вариантов оформления процесса очистки сточных вод от органических загрязнений;

- Количественной оценкой интегрального эффекта от применения ультразвукового воздействия в качестве интенсификатора в процессе очистки сточных вод от органических загрязнений магнетитом.

Методы исследования. В работе использована теория процессов массо-

переноса, численные методы решения краевых задач, лабораторный и натурный эксперимент, методы математической статистики, компьютерное моделирование.

Научная новизна работы.

- Разработано математическое описание реагентного способа очистки сточной воды от органических загрязнений, учитывающее стохастическую природу этого процесса. Математическая модель основана на решении дифференциального уравнения, описывающего эволюцию функции распределения частиц загрязнения по характерному размеру. На основе этой модели предложена методика расчета оптимальных режимно-консгруктивных параметров проведения процесса очистки.

- Впервые обоснована эффективность предварительной ультразвуковой обработки реагента (магнетита), позволяющая существенно интенсифицировать процесс реагентной очистки сточных вод от органических загрязнений. Разработана математическая модель процесса ультразвуковой обработки реагента, позволяющая рассчитать его рациональный, с точки зрения энергозатрат, режим.

- Предложен метод расчета интегральной оценки эффективности процесса реагентной очистки сточных вод с использованием магнетита на основе технологических параметров процесса, контролируемых в производстве.

Прак тическая ценность и реализация результатов работы.

- На основе комплексного исследования процесса очистки сточных вод ог органических загрязнений с использованием магнетита, разработана инженерная методика расчета показателей его эффективности. Получены экспериментальные оценки параметров разработанных математических моделей, необходимые для их практического применения.

- На основе проведенных исследований установлена целесообразность предварительной ультразвуковой обработки реагента и выявлены оптимальные параметры ультразвукового воздействия применительно к реагентной очистке сточных вод от органических загрязнений.

- На основе выявленных закономерностей предложена новая типовая ресурсосберегающая экологически безопасная технологическая схема опытно-промышленной установки и ее конструктивное оформление для очистки промышленных стоков от органических загрязнений, в частности, от нефтепродуктов, обеспечивающая 90-95%-ную степень очистки.

- Разработанные на основании теоретических и экспериментальных исследований методика инженерного расчета и программа расчета степени очистки воды от органических загрязнений приняты к использованию депо

«Невское» Санкт-Петербургского метрополитена, Лабораторией ультразвуковой техники и технологии ИОНХ РАН, рядом текстильных предприятий.

Реализация работы: Разработанная на основе проведенных исследований инженерная методика и численная процедура расчета процесса очистки сточных вод от органических загрязнений магнетитом при его предварительной обработке ультразвуком зарегистрированы в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, что подтверждено свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ. Разработанная методика инженерного расчета и рекомендации приняты к реализации рядом предприятий и организаций.

Апробация работы: Материалы работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку специалистов на Международных и Всероссийских научных конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на Международной конференции «Новое в технике и технологии текстильной и лёгкой промышленности (Витебск 2009)», Международной конференции по химии и химической технологии «МКХТ», РХТУ им. Д.И. Менделеева -2004, 2006-2008гг, Международной конференции РАН по химии и химической технологии ХТ'07-2007г, Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Псков-2009), Международной конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль - 2006-2008)» Результаты работы были представлены на Всероссийских выставках научно-технического творчества молодежи НТТМ-2006 и НТТМ-2010, где отмечены двумя медалями.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 работ, в том числе 4 в журналах ВАК, получено 2 патента, 2 свидетельства - об отраслевой регистрации разработки и о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 185 наименований. Основное содержание изложено на 141 странице, содержит 33 рисунка и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования. Дана характеристика научной новизны и практическая ценность работы.

В первой главе диссертации проведен анализ современного состояния исследуемого вопроса. Описаны известные технические решения применительно к рсагентному способу очистки сточных вод и соответствующие им математические модели. На основе анализа известных решений обосновывается возможность и целесообразность стохастического подхода к описанию изучаемого процесса.

Во второй главе изложены результаты теоретических исследований по теме диссертации. С физической точки зрения исследуемый процесс очистки воды от органических загрязнений на примере нефтепродуктов интерпретируется как процесс коагуляции активных капель нефтепродуктов с последующим их выделением из очищаемой среды в поле гравитационных или центробежных сил. Активные капли в процессе их коагуляции образуют

конгломераты, состоящие из смеси частиц магнетита и нефтепродуктов. Сформированные конгломераты, сепарируясь из загрязненной воды, обуславливают ее очищение.

В математической модели, соответствующей физическому процессу коагуляции активных капель, в качестве целевой характеристики процесса используется функция распределения /(v,r) капель по характерному размеру (объему) в текущий момент времени. Знание этой функции позволяет через ее соответствующие моменты, рассчитать все необходимые статистические оценки, характеризующие эффективность процесса очистки загрязненной воды. Функция /(v,r) в работе нормализована на число капель N, находящихся в единице объема аппарата, т.е. она удовлетворяет условию:

]/(v,rVv = f = «(r) (1)

о "

С физической точки зрения л(г) следует рассматривать как концентрацию капель в единице объема аппарата в текущий момент времени.

Кинетика непосредственно процесса коагуляции активных капель описывается интегрально-дифференциальным уравнением:

V

hf( \ 2 00 (2) ffili = Jflv¡; v _ V|, T)f(v¡, r)/(v _ V|, T)dv¡ _ /(v,r) J^v,, r)/(v,, l>, ür o o

Ядро уравнения (2) в работе представлено в виде:

(3)

где Д, - константа, характеризующая удельную частоту столкновения активных капель нефтепродуктов в единице объема (см3/с), а(т) - относительная доля активных капель нефтепродуктов в рабочей зоне аппарата в текущий момент времени (1/с).

Для аппаратов с активной гидродинамикой характерен резкий рост доли активных капель органических загрязнений в начальный период процесса, что обуславливает экспоненциальный характер функции а(т). Для ее описания в работе используется зависимость:

. . - IIw/ P (4)

а(г)= 1-е1' J > ( '

где а а - сорбционная емкость (мг/мг) i-ой фракции частиц магнетита по отношению к j-ой доле капель загрязнения; x¡ и у, - соответствующие доли частиц ¡-го и j-ro размеров в суспензии магнетита и эмульсии нефтепродуктов; тр - регламентное время.

Представление ядра кинетического уравнения коагуляции в виде соотношения (3) позволяет преобразовать его к виду:

Указанное преобразование произведено с помощью подстановки:

в= Т\^-е"'\к = г + -(е",г -\) (6)

о а

Решение уравнения (5), полученное с помощью интегрального преобразования Фурье, имеет вид:

п'' (2+/>о^],_ Лг/Мм ' <П

где п0 - число капель в единице объема обрабатываемой воды в начальный

со

момент времени,

- преобразование Фурье начального

о

распределения /(у,0) капель по размерам.

Учитывая, что в инженерной практике эффективность очистки воды от органических загрязнений, в том числе от нефтепродуктов, оценивается интегральным показателем, определяющим их концентрацию в очищаемой воде, в работе предложена методика непосредственного расчета такого показателя. В основе этой методики лежит кинетическое уравнение коагуляции, преобразованное в безразмерных переменных к виду:

м О

а 0 2 "о "о

Новая переменная ц, определяющая относительную долю скоагулиро-вавшихся капель загрязнения, характеризует тем самым степень чистоты очищаемой воды, т.е. является количественным показателем эффективности исследуемого процесса.

Решение уравнения (8) позволяет получить оценку эффективности исследуемого процесса:

"Л в

««А л <10>

- 1 + .2О.0 2

Из (10) следует, что концентрация коагулирующих частиц и скорость роста'их среднего объема определяется соотношениями:

"" ^ ' п. В. Л

(12)

2 '

Интегральная оценка эффективности процесса коагуляции, выраженная через естественную переменную т имеет вид:

2 + аД,н0г 2 + {\-е")Рйпат

В инженерной практике, при расчете интегральных показателей технологических процессов целесообразно использовать усредненные оценки кинетических коэффициентов процесса. Используя этот подход, в работе получена оценка для показателя эффективности процесса коагуляции (14) и соответствующая расчетная зависимость его от контролируемых технологических параметров (15):

Вп.,т — а/3,, ,, с,.Вг Кт

1 + рп0т 2 ру0 + с0рт ру0 + Кт

где Со (мг/см3) - начальная концентрация загрязнения в воде, р (мг/см3) -плотность загрязнения, (см3) - средний объем частиц загрязнения в начальный момент; К (мг/с) - кинетический коэффициент, характеризующий скорость процесса.

Полученная количественная оценка коэффициента скорости К, входящего в уравнение (15), дает возможность рассчитать степень очистки загрязненной воды в зависимости от режимно-конструктивных характеристик процесса для реализуемого технологического режима.

Важной частью теоретических разработок являются исследования, направленные на выбор и реализацию методов интенсификации процесса очистки воды от органических загрязнений. Показано, что одним из наиболее доступных и эффективных способов повышения эффективности процесса коагуляции капель органического загрязнения является предварительная ультразвуковая обработка суспензии магнетита, вводимой в очищаемую воду. В процессе такой обработки уменьшаются размеры частиц магнетита, растет их удельная поверхность, что приводит к росту их сорбционной емкости по отношению к каплям загрязнения. Все это в совокупности обуславливает рост коэффициента скорости коагуляции и, в соответствии с математическим описанием этого процесса, способствует увеличению показателя эффективности 1].

Реализация ультразвуковой обработки суспензии магнетита, связанная с выбором ее режимно-конструктивных параметров, возможна на основе соответствующего математического описания. В работе представлена математическая модель процесса изменения характерного размера (эквивалентного радиуса) частиц магнетита в ходе их ультразвуковой обработки. Кинетика этого процесса описывается уравнением:

( (16) •хП,

Лх

ч г ,

где К„ - кинетический коэффициент (константа скорости), 1/с; гкр - критический размер частиц (мкм) с которого начинается обратный процесс их укрупнения, х(г) - случайная составляющая скорости процесса, обусловленная его стохастической природой (мкм/е).

Константа скорости К. зависит от физических свойств обрабатываемого материала, мощности воздействия, гидродинамической обстановки в рабочей зоне аппарата.

Дифференциальное уравнение для функции распределения <р{г,т) частиц магнетита но размерам имеет вид:

.з2/

(I т " дг

- ( 2 Г...

Г--- /

Г

V _

дг'

(17)

Переход от кинетического уравнения (16) к дифференциальному уравнению (17) для функции распределения частиц по размерам осуществлен на основе обобщенного уравнения Фоккера-Планка. Параметр е в уравнении (17) характеризует интенсивность случайных воздействий, обусловленных стохастической природой описываемого процесса.

Решение уравнения (17) в работе найдено методом разделения переменных, в соответствии с которым искомая функция <р{г,г) преобразована в произведение двух неизвестных функций р(г) и т(г), каждая из которых зависит только от одной переменной. Введенные функции удовлетворяют следующей системе обыкновенных дифференциальных уравнений и условию нормировки для искомой функции:

ЗТ дт

_д дг

= ЛТ

К I г-

2 \

Г Г

дР дг

(18)

\<р{г,т)с1г = \,

О < г < со

Общее решение уравнения (17) может быть представлено в виде ряда:

= г < е"2' У С,Ь,

1=0

2е

(19)

Общее решение задачи (19) позволяет найти зависимость распределения частиц по размерам от внешних параметров процесса К„, е) от продолжительности ультразвукового воздействия и от параметров начального распределения. Реализация таких расчетов является трудоемкой процедурой. В то же время анализ ряда (19) показывает, что для практических расчетов можно ограничиться первыми членами ряда. В этом случае оценка результатов ультразвукового воздействия определяется по функции распределения, являющейся асимптотикой решения (20).

ку

<р(>~) = С»/-

(20)

0 { 2 ) 2е 2 Соотношение (20) позволяет получить целевую интегральную оценку результатов ультразвукового воздействия, а именно, средний размер частиц.

В третьей главе работы приведены результаты экспериментальных исследований. Их целыо являлась проверка адекватности разработанных математических моделей реальному процессу очистки воды от органических загрязнений на примере нефтепродуктов и получение соответствующих оценок для параметров указанных моделей.

Опыты проводились на лабораторной установке, включающей узел подготовки модельной водяной эмульсии нефтепродуктов, содержащей керосин, моторное масло, бензин и мазут в различных соотношениях и блок формирования суспензии магнетита Состав эмульсии выбирался как наиболее сложный для очистки. Основные параметры процесса коагуляции, обуславливающего очистку модельной жидкости от нефтепродуктов, варьировались в диапазонах, соответствующих технологическому регламенту очистки сточных вод в текстильной и смежных отраслях промышленности, а также очистке вод железнодорожных предприятий. Концентрация органического загрязнения в очищаемой воде изменялась в пределах от 20 до 60 мг/л, поскольку в общем стоке отделочного производства тонкосуконных фабрик концентрация нефтепродуктов, в частности керосина, изменяется в этих пределах, концентрация магнетита составляла 50... 1000 мг/л. Средний диаметр капель нефтепродуктов- 0,3...0,9 мкм, диаметр частиц магнетита 2... 10 мкм, максимальное число оборотов мешалки составляло 1000 об/мин. Максимальная длительность процесса очистки достигала 60 мин.

На первом этапе исследований были проведены численные эксперименты, позволяющие рассчитать функцию распределения капель загрязнений (нефтепродуктов) в обрабатываемой воде по уравнению (7) в различные моменты времени. Начальное распределение загрязнений моделировалось нормальным и логарифмически нормальным законами. Результаты численных расчетов сопоставлялись с результатами лабораторных опытов. При этом, учитывая техническую сложность снятия экспериментальных кривых распределения коагулирующих частиц непрерывно в течение опыта, сопоставление проводилось по интегральным показателям в конце процесса. Такими показателями являлись математическое ожидание и дисперсия изучаемого распределения.

Приведенные на рис. 1 данные иллюстрируют типичную картину изменения функции распределения /{с1,т) капель нефтепродуктов в течение процесса коагуляции. Учитывая функциональную связь между диаметром частицы и ее объемом функции /(с/, г) и /(у, г) объективно в равной степени отражают закономерности процесса коагуляции.

Результаты численных экспериментов свидетельствуют о практической независимости процесса эволюции функции распределения /(у,г) от вида начального распределения. При этом относительная погрешность между опытными и расчетными значениями параметров распределения не превышает в среднем 8%, что свидетельствует об адекватности разработанной математической модели реальному процессу. Вывод подтверждается проверкой стаги стической гипотезы о соответствии расчетной функции распределения опыт-

ным данным. Проверка производилась по критерию Пирсона с надежностью 0,95. Одновременно сопоставление расчетных и экспериментальных кривых

распределения позволило получить оценку для кинетического коэффициента р= 1,55 * 10'8 (см3/с).

Второй этап экспериментальных исследований был посвящен непосредственно оценке эффективности изучаемого способа очистки воды и выявлению оптимальных параметров его проведения.

На рис. 2 приведены типичные кинетические кривые процесса, иллюстрирующие зависимость его эффективности от длительности процесса. Все остальные параметры процесса зафиксированы на уровнях, соответствующих технологическому регламенту очистки сточных вод в текстильной технологии.

Полученные опытные данные

1'ис. 1. Кривые распределения капель органического загрязнения по диаметру в зависимости от продолжительности процесса коагуляции (сй=26 мг/л, 0=260мг/л, п=800 об/мин)

позволили выявить среди технологических параметров процесса те, которые одновременно без каких-либо технологических затруднений могут варьироваться в достаточно широком диапазоне и существенным образом влияют на эффективность процесса. Такими параметрами являются доза добавляемого магнетита и его фракционный состав. Указанный вывод подтверждается результатами теоретических исследований. Изменение характеристик магнетита отражается на кинетическом коэффициенте К. Экспериментальные кривые удовлетворительно согласуются с расчетами по уравнению (15). Средняя погрешность не превышает 5-7%. Обработка этих кривых 1 1

в координатах---позволила получить

1) т

оценку для кинетического коэффициента К, которая в исследованном диапазоне технологических параметров процесса составила 4,03*10"10 мг/с.

Полученная оценка необходима для практического использования расчетной формулы (15).

Важнейшую часть экспериментальных исследований составляют опыты по изучению ультразвукового воздействия на процесс очистки воды от орга-

1'ис. 2. Кинетические кривые процесса коагуляции (со=26 мг/л, п=800 об/мнн, с1™=0,6 мкм, (1гк~4 мкм)

нических загрязнений. Целесообразность и перспективность такого воздействия обоснована в теоретической части работы.

В качестве источника ультразвуковых колебаний в опытах использовался магнитострикцнонный преобразователь, снабженный волноводом стержневого типа с площадью рабочей поверхности 5 см2. Интенсивность колебаний при ультразвуковой обработке суспензии магнетита изменялась в пределах 6.. .27 Вт/см2 при частоте колебаний излучателя 24 кГц.

На рис. 3 представлены результаты опытов по ультразвуковой обработке суспензии магнетита, которые свидетельствуют о возможности уменьшения среднего диаметра его частиц в 1,5...2 раза в исследованных диапазонах изменения параметров ультразвукового воздействия.

В работе представлены кинетические кривые процесса очистки воды от нефтепродуктов по регламентной схеме и с применением ультразвука.

На основании результатов этой серии опытов установлены целесообразные с экономической и технологической точек зрения параметры ультразвуковой обработки магнетита: интенсивность ультразвукового воздействия 27 Вт/см2, длительность обработки - 30 с

Показано, что кинетический коэффициент К возрастает на 20% в сравнении с очисткой в условиях технологического регламента без предварительной ультразвуковое! обработки магнетита.

Обобщение результатов исследований кинетики процесса очистки воды, позволило установить эмпирическое соотношение, учитывающие влияние ультразвукового воздействия на кинетический коэффициент процесса в виде:

Рис. 3. Зависимость среднего размера (диаметра) частиц магнетита от параметров ультразвукового воздействия. Концентрация суспензии магнетита со 2 г/л. Начальное распределение логарифмически нормальное: а|„=1,46 мкм; а]„=0,бб мкм

= А

/ у\а

т

= 1.12

XV г

т

Л0.2

(21)

где К0 (мг/с) - кинетический коэффициент, соответствующий условиям процесса по технологическому регламенту (без применения ультразвукового воздействия), V/ (Вт/см2) - интенсивность воздействия, т (с) - время воздействия, т (г) - масса магнетита.

В четвертой главе приводится описание практических приложений результатов проведенных исследований. Одним из них является численный метод решения уравнения кинетики, описывающего процесс коагуляции капель нефтепродуктов в очищаемой воде.

Практическая значимость разработанного численного метода заключается в возможности проведения численного моделирования исследуемого

процесса, в частности, исследования влияния начальных параметров (начального распределения, ядра уравнения и других неучтенных факторов) на поведение функции распределения частиц загрязнения в очищаемой среде.

Для инженеров-практиков несомненный интерес представляют методики, описывающие процедуру отбора проб очищаемой воды и расчет на основе их анализа, количественной оценки эффективности контролируемого процесса. В основе указанных методик, представленных в работе, лежит статистический метод обработки выборки.

Наиболее важными с практической точки зрения результатами выполненных исследований являются их успешная апробация на опытно-промышленных очистных установках, позволившая разработать типовую технологическую схему, а также ее аппаратурное оформление для очистки сточных вод от нефтепродуктов, а также других органических загрязнений гальвапокоагуляционным методом на основе магнетита. В таблице 1 приведены основные технико-экономические показатели работы опытно-промышленной очистной установки, на которой был апробирован данный метод очистки сточных вод. Основные технологические параметры процесса очистки приведены в табл. 2. Приведенные в таблице 1 данные подтверждают результаты лабораторных и теоретических исследований процесса галь-ванокоагуляционной очистки воды от органических загрязнений - нефтепродуктов.

Важным итогом исследований является представленная на рис. 4 новая типовая ресурсосберегающая и экологически безопасная технологическая схема и ее конструктивное оформление для очистки загрязненной воды от нефтепродуктов и других органических загрязнений на основе магнетита в качестве реагента.

Таблица 1.

Технико-экономические показатели работы опытно-промышленной ус-. тановки для очистки сточных вод с использованием в качестве реагента-

магнетита

Вид загрязнения Результаты анализа Результаты анализа Степень очи-

сточных вод до очистки, сточных вод после стки, %

мг/л очистки, мг/л

Нефтепродукты 223,5*22,35 0,10±0,04 99,95

Железо общее 1326±198 7,69±1,69 99,42

Медь 0,5240±0,1468 0,0206±0,0059 96,07

Цинк 25,58±3,58 <0,004 >99,98

Марганец 7,60±1,29 0,405±0,101 94,67

Таблица 2.

Концентрация магнетита, мг/л 500

Интенсивность УЗ воздействия, Вт/см'' 20-30

Время ультразвуковой активации, с 60

Время контакта магнетита с загрязненной водой, мин 10

В соответствии с разработанной схемой очистка воды от нефтепродуктов и других органических загрязнений осуществляется в реакционной каме-

ре 5, в которую одновременно с водой поступает суспензия магнетита, наработанная гальвапокоагулятором 1 и активированная в ультразвуковом реакторе 4. Время активации регулируется изменением скорости циркуляции суспензии в замкнутом контуре, включающем скрапоуловитель 2 и насосный блок 3.

12 3 4 5 6 7 8

Рис. 4. Аппаратурно-технологическая схема установки ультразвуковой галъванокоа-гуляциониой очистки сточных вод с использованием в качестве реагента магнетита..

1 - гальваиокоагулятор, 2 - скрапоуловитель, 3 - насосный блок, 4 •• ультразвуковой реактор, 5 - реакционная камера, б - гидроциклон,7 - рамный фильтр-лресс, 8 - регулировочный клапан.

Очищенная в результате контакта с магнетитом вода из реакционной камеры 5 насосом подается на рамный фильтр-пресс 7, где осуществляется сепарация из нее образовавшихся агломератов из магнетита и частиц нефтепродуктов. Циркуляционный контур с входящими в его состав гидроциклоном 6 и системой регулировочных клапанов и насосным блоком, а также барботаж сжатым воздухом обеспечивают интенсификацию процесса в реакционной камере. Очищенная вода подаётся на повторное использование, что позволяет снизить общее водопотребление не менее чем в 6...8 раз.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании теоретических исследований разработано математическое описание процесса реагентной очистки сточных вод о г органических за-

• грязиений, учитывающее стохастическую природу этого процесса. В основе предложенной для сложной многофазной полидисперсной системы модели лежит дифференциальное уравнение, описывающее эволюцию функции распределения частиц загрязнения по характерному размеру. Знание этой функции позволяет рассчитать основные интегральные характеристики процесса в любой момент времени. Получена количественная оценка показателя эффективности процесса реагентной очистки.

2. Впервые на основании теоретических и экспериментальных исследований установлена целесообразность и эффективность предварительной ультразвуковой обработки реагента-магнетита при реализации процесса очистки сточных вод от органических загрязнений, которая в конечном счете по-

зволяет значительно повысить коэффициент скорости процесса и показатель его эффективности.

3. Предложена математическая модель процесса изменения характерного размера (эквивалентного радиуса) частиц реагента-магнетита при его предварительной ультразвуковой обработке. В основе модели лежит краевая задача для функции распределения частиц магнетита по размерам. При ее решении получена количественная оценка эффективности ультразвукового воздействия на характерный размер частиц магнетита и связанного с ним кинетического коэффициента, а, следовательно, на степень очистки загрязненной воды.

4. На основе комплексного исследования процесса очистки сточных вод с использованием обработанного ультразвуком магнетита разработан инженерный метод, составной частью которого являются описанные статистические методики контроля и анализа интегральных характеристик, и численная процедура расчета процесса очистки сточных вод магнетитом при его предварительной обработке ультразвуком, которые зарегистрированы в Федеральной службе но интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, что подтверждено свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ.

5. На основе выявленных закономерностей впервые разработана новая типовая ресурсосберегающая, экологически безопасная технологическая схема опытно-промышленной установки и ее конструктивное оформление для реагентной очистки сточных вод от органических загрязнений, в частности, от нефтепродуктов, включающая узел предварительной ультразвуковой обработки реагента. Рекомендованы режимные параметры работы установки, определенные на основе эксперимента и разработанных математических моделей, при которых обеспечивается 90-95% степень очистки промышленного стока при экономии реагента в 2 раза. Принципиальное расположение аппаратов в технологической схеме защищено патентом на полезную модель.

6. Рекомендуемый реагентнын, на основе обработанного ультразвуком магнетита, способ очистки воды от органических загрязнений, в частности нефтепродуктов, апробирован на опытно-промышленной установке в депо «Невское» метрополитена г. Санкт-Петербурга. На основании экспериментальных исследований и проверки предлагаемого метода расчета на примере сточной воды отделочного производства тонкосуконной и других фабрик показана возможность его использования в инженерной практике с относительной погрешностью не более 15%.

Основное содержание диссертационной работы отражено в 19 публикациях.

в том числе:

I. Абрамов О.В., Кошелева М.К., Кереметнн П.П., Муллакаев М.С. Очистка сточных вод

текстильных предприятии гальванохимическим методом с использованием ультразвукового поля // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 2009, № 3.- С. 107110.

2. Кереметин П.II., Кошелева М.К., Муллакаев М.С. Исследование и расчет процесса очистки сточных вод методом гапьванокоагуляцин с применением ультразвука // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 2010, №2С- с. 99-102.

3. Кереметин П.П., Парилов П.С. и др. Определение режимных и технологических параметров сонохпмической очистки нефтезагрязненных вод//Химическая технология. 2010. Том 11.№ 1. с.56-62.

4. Кереметин П.П., Парилов П.С. и др. Ультразвуковой гальванокоагуляционный комплекс очистки загрязненных вод // Экология и промышленность России. 2009. Октябрь. -с. 46-49.

5. Кошелева М.К., Кереметин П.П. и др. Использование ультразвука для очистки сточных вод текстильных предприятий // Успехи в химии и химической технологии.- 2008, т.ХХП.-№2 (82).-С. 119-121.

6. Кошелева М.К., Абрамов О.В., Кереметин П.П. Промывка тканей после отделочных операций и очистка сточных вод текстильных предприятий с использованием ультразвука. Тезисы докладов международной НТК «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль - 2008)» (11 -12 ноября 2008 г.).- М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2008.-е. 235.

7. Кереметин П.П., Кошелева М.К. и др. Определение основных параметров и расчет процесса очистки сточных вод текстильных предприятий гальванохимическим методом с использованием ультразвукового поля. Тезисы докладов международной научной конференции «Новое в технике и технологии текстильной и лёгкой промышленности (Витебск 2009)» ч. II, с. 174-176.

8. Кереметин П.П., Муллакаев М.С. и др. Инженерный расчет степени гальванокоагуля-ционной очистки вод, загрязненных нефтепродуктами // Тр. XXII Междунар. науч. конф. "Математические методы в технике и технологиях" в 10 т. Т. 4. - Исков: 2009. - с. 70-74.

9. Кереметин П.П., Муллакаев М.С., Кошелева М.К., Векслер Г.Б. Ультразвуковая интенсификация очистки воды от нефтепродуктов с помощью гальванокоагулянта Тезисы докладов международной НТК «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль - 2009)» (24 - 25 ноября 2009г.).- с.284-285.

10. Кереметин П.П., Кошелева М.К. и др. Исследование и разработка практических рекомендаций по использованию ультразвука в процессах промывки и очистки сточных вод отделочного производства. Сборник научных трудов, выполненных по итогам конкурса грантов молодых исследователей «ГРАНТ - 2008». - М.: ГОУВПО «МГГУ им. А.Н. Косыгина», 2009. - с. 4-8

11. Патент - 94967 РФ, Устройство для гальванокоагуляционной очистки сточных вод / М.К. Кошелева, П.П. Кереметин и др.; Мое. гос. текстильн. ун-т им. А.Н. Косыгипа,-№2010104940/22(006948); Заяв. 10.03.2010; Опубл. 10.06.2010, Бюл. N 16.

12. Кереметин П.П., Кошелева М.К. и др. Расчет процесса очистки сточных вод от нефтепродуктов с помощью гальванокоагулянта, предварительно облученного ультразвуком. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009616630 от 30.11.2009. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Подписано в печать 17.09.10 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Заказ 295 Тираж 80 ГОУВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 119071, Москва, ул. Малая Калужская, 1

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В РАБОТЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Сравнительный анализ физико-химических методов очистки сточных вод от органических загрязнений.

1.2. Математическое описание и методы расчета физико-химической очистки сточных вод.

1.3. Интенсификация процессов физико-химической очистки сточных вод от органических загрязнений.

1.4. Патентный обзор изобретений, связанных с интенсификацией процессов физико-химической очистки сточных вод, в том числе процесса гальванокоагуляции.'.

1.5. Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГАЛЬВАНОКОАГУЛЯЦИОННОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ.

2.1. Математическое описание процесса реагентной очистки сточных вод от органических загрязнений.

2.2. Расчет интегральных характеристик процесса реагентной очистки сточных вод от органических загрязнений.

2.3. Стохастическая модель процесса ультразвуковой обработки реагента магнетита.

2.4. Численный алгоритм расчета процесса реагентной очистки сточных вод от органических загрязнений.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1. Описание лабораторной установки и методики проведения экспериментов по исследованию процесса ультразвуковой обработки гальванокоагулянта и процесса очистки модельных эмульсий органических загрязнений.

3.2. Исследование процесса ультразвуковой обработки гальванокоагулянта магнетита.

3.3. Исследование процесса очистки модельных эмульсий от органических веществ с использованием гальванокоагулянта магнетита.

ЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД ОТ РГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ МЕТОДОМ ГАЛЬВАНОКОАГУЛЯЦИИ РИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКЕ РЕАГЕНТА МАГНЕТИТА.

Проблема очистки сточных вод и повторного использования очищенной воды в технологических целях имеет особое значение для текстильной промышленности, причем наибольший расход воды приходится на красильно-отделочное производство, где удельное количество сточных вод составляет 200.350 м , а содержание поверхностно-активных веществ, красителей и других органических примесей в них составляет 70. .80 кг на 1 т продукции.

Сложный состав сточных вод данного производства обуславливает трудности выбора технологии и режимов очистки. В последние годы широкое распространение получил способ очистки сточных вод на основе магнетита, являющегося вторичным продуктом в гальваническом производстве. Указанный способ очистки загрязненных вод особенно эффективен по отношению к органическим загрязнениям, таким как красители, поверхностно-активные вещества, нефтепродукты. Промышленные стоки, содержащие такого рода загрязнения, составляют основной объем сточных вод в химической, текстильной и смежных с ними отраслях промышленности. В связи с этим разработка и аппаратурное оформление эффективных схем очистки подобных стоков является одним из приоритетных направлений в решении проблем охраны окружающей среды. Реагентный, на основе магнетита, способ очистки загрязненной воды, называемый гальванокоагуляционным, рекомендуется к использованию ЮНЕСКО как наиболее эффективный в экологическом плане.

Практическая реализация реагентного, на основе магнетита, способа очистки промышленных стоков, возможна на основе соответствующего математического описания, которое в настоящее время отсутствует, что не позволяет обоснованно выбрать оптимальные режимно-конструктивные параметры его реализации. В равной степени это относится и к вопросам, связанным с интенсификацией указанного процесса при использовании ультразвукового воздействия. Практическая реализация этого способа при реагентной очистке на основе магнетита также связана с необходимостью разработки математической модели и алгоритмов расчета эффективности ультразвуковой обработки.

Цель работы заключалась в повышении эффективности процесса реагентной, на основе магнетита, очистки содержащих органические загрязнения сточных вод текстильных и других предприятий и в разработке методов расчета, позволяющих определить оптимальные режимно-конструктивные параметры его реализации с использованием ультразвука.

Указанная цель достигается решением следующих задач:

- Исследованием и разработкой математического описания процесса очистки сточных вод от органических загрязнений с помощью магнетита, предварительно обработанного ультразвуком, позволяющего определить оптимальные параметры процесса;

- Выбором рационального технологического режима и конструктивного оформления очистных установок на основе проведенных лабораторных экспериментов и сопоставительного анализа эффективности альтернативных вариантов оформления процесса очистки сточных вод от органических загрязнений;

- Количественной оценкой интегрального эффекта от применения ультразвукового воздействия в качестве интенсификатора в процессе очистки сточных вод от органических загрязнений магнетитом.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании теоретических исследований разработано математическое описание процесса реагентной очистки сточных вод от органических загрязнений, учитывающее стохастическую природу этого процесса. В основе предложенной для сложной многофазной полидисперсной системы модели лежит дифференциальное уравнение, описывающее эволюцию функции распределения частиц загрязнения по характерному размеру. Знание этой функции позволяет рассчитать основные интегральные характеристики процесса в любой момент времени. Получена количественная оценка показателя эффективности процесса реагентной очистки.

2. Впервые на основании теоретических и экспериментальных исследований установлена целесообразность и эффективность предварительной ультразвуковой обработки реагента-магнетита при реализации процесса очистки сточных вод от органических загрязнений, которая в конечном счете позволяет значительно повысить коэффициент скорости процесса и показатель его эффективности.

3. Предложена математическая модель процесса изменения характерного размера (эквивалентного радиуса) частиц реагента-магнетита при его предварительной ультразвуковой обработке. В основе модели лежит краевая задача для функции распределения частиц магнетита по размерам. При ее решении получена количественная оценка эффективности ультразвукового воздействия на характерный размер частиц магнетита и связанного с ним кинетического коэффициента, а, следовательно, на степень очистки загрязненной воды.

4. На основе комплексного исследования процесса очистки сточных вод с использованием обработанного ультразвуком магнетита разработан инженерный метод, составной частью которого являются описанные статистические методики контроля и анализа интегральных характеристик, и i $ численная процедура расчета процесса очистки сточных вод магнетитом при его предварительной обработке ультразвуком, которые зарегистрированы в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, что подтверждено свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ.

5. На основе выявленных закономерностей впервые разработана новая типовая ресурсосберегающая, экологически безопасная технологическая схема опытно-промышленной установки и ее конструктивное оформление для реагентной очистки сточных вод от органических загрязнений, в частности, от нефтепродуктов, включающая узел предварительной ультразвуковой обработки реагента. Рекомендованы режимные параметры работы установки, определенные на основе эксперимента и разработанных математических моделей, при которых обеспечивается 90-95% степень очистки промышленного стока при экономии реагента в 2 раза. Принципиальное расположение аппаратов в технологической схеме защищено патентом на полезную модель.

6. Рекомендуемый реагентный, на основе обработанного ультразвуком магнетита, способ очистки воды от органических загрязнений, в частности нефтепродуктов, апробирован на опытно-промышленной установке в депо «Невское» метрополитена г. Санкт-Петербурга. На основании экспериментальных исследований и проверки предлагаемого метода расчета на примере сточной воды отделочного производства тонкосуконной и других фабрик показана возможность его использования в инженерной практике с относительной погрешностью не более 15%.

1. Стахов Е.А. Очистка нефтесодержащих сточных вод предприятий хранения и транспорта нефтепродуктов.-Л.:Недра, 1983.-263 с.

2. Родионов А.И., Клушин В.Н., Систер В.Г. Технологические процессы экологической безопасности. Изд-во Н. Бочкаревой. — Калуга, 2000 г. — 800 с.

3. Арене В.Ж., Саушин А.З., Гридин О.М. Очистка окружающей среды от углеводородных загрязнений. М.: Интербук, 1999. - 180с.

4. Гвоздев В.Д., Ксенофонтов Б.С. Очистка производственных сточных вод и утилизация осадков. М.: Химия, 1988.

5. Жуков А.И. Методы очистки производственных сточных вод. Справочное пособие. М., Стройиздат, 1977.

6. Комарова Л.Ф. Технология очистки промышленных и сточных вод: физико-химические, химические и биохимические методы очистки: Учебное пособие/Алтайский политехнический институт. Барнаул, 1983.

7. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1991.

8. Родионов и др. Техника защиты окружающей среды. М., 1989.

9. Когановский A.M., Клименко Н.А., Левченко Т.М., Марутовский P.M., Рода И.Г. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении. М.: Химия, 1983. - 288 с.

10. Пономарев В.Г., Иоакимис Э.Г., Монгайт И.Л. Очистка сточных вод нефтеперерабатывающих заводов. М.: Химия, 1985. -с.56.

11. Кастальский А.А Минц Д.М. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения. М.: Высшая школа, 1962. с.558.

12. Клячко В.А., Апельцин И.Э. Очистка природных вод. М.: Изд-во лит. По строительству, 1971. -с.579.

13. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами.М.:Наука,1977.- с.355.

14. Запольский А.К., Баран А.А. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. Л.: Химия, 1987. -204с.

15. Зонтаг Г., Штренге К. Коагуляция и устойчивость дисперсных систем/ Пер. с нем. Под ред. О.Г. Усьярова. Л.: Химия, 1973. -с.151.

16. Кичигин В.И. Агрегация загрязнений воды коагуляцией: Учебн. Пособ.; Рекомендовано МОиПО РФ и АСВ в качестве учебн. Пособия для студентов вузов, обучающихся по спец. 290800.М.: Изд-во АСВ, 1994. -с. 100.

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

18. Ксенофонтов Б.С. Очистка сточных вод: Флотация и сгущение осадков. М.: Химия, 1992. -с.44.

19. Растворы флотационных реагентов. Физико-химические свойства и методы исследования. Под ред. Кремера В.А. М., Недра, 1973. -с. 192-230.

20. Арсеньев В.А., Горловский С.И., Устинов И.Д. Комплексное действие флотационных реагентов. М., Недра, 1992 .-с. 162.

21. Основы теории и практика применения флотационных реагентов. Под ред. Митрофанова С.И., Дудункова С.В. М., Недра, 1969. -с. 158-243.

22. Разумов К.А. Флотация, ч.2. Флотационные реагенты и технология флотационного процесса. Л., 1968. -с. 28-76.

23. Артемов А.В., Платова Т.Е. и др. Анализ технологических сточных вод текстильных предприятий // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 1995. №1. - с. 108-111

24. Малышев В.В. Теория и практика гальванокоагуляционного метода очистки. //Экология производства, 2006. №3, с. 42-46.

25. Соложенкин П.М. Перспективы гальванохимических методов очистки техногенных вод. // Экология производства. Химия и нефтехимия, 2006. -№3 (5), с. 14-16.

26. Чантурия В.А., Соложенкин П.М. Гальванохимические методы очистки техногенных вод: Теория и практика. М.: ИКЦ «Академкнига». - 2005. 204с.

27. Феофанов В.А., Дзюбинский Ф.А. Гальванокоагуляция: теория и практика бессточного водопользования. Магнитогорск, ООО «МиниТип». - 2006. 368 с.

28. Воюцкий, С. С. Курс коллоидной химии / С. С. Воюцкий. М.: Химия, 1976.-512 с.

29. Смолуховский М. Опыт математической теории кинетики коагуляции коллоидных растворов.— В кн.: Коагуляция коллоидов. М., ОНТИ, 1936, с. 7—39.

30. Muller Н. Zur allgemeinen theorie der raschen koagulation.— «Kolloidchem. Beib.», 1928, Bd 27, S. 223—250.

31. Волощук B.M., Седунов Ю.С. Процессы коагуляции в дисперсных системах. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 320 с.

32. Степанов А. С. Вывод уравнения коагуляции для броуновски движущихся частиц.— «Тр. ИЭМ», 1971. вып. 23, с. 42—64.

33. Степанов А. С. К выводу уравнения коагуляции.— «Тр. ИЭМ», 1971. вып. 23, с. 3—16.

34. Степанян Д.И. Расчетная схема для численного решения уравнения коагуляции атмосферного аэрозоля // http://www.ncstu.ru: Вестник37