автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Повышение эффективности очистки воды с использованием гидродинамической кавитации

На правах рукописи

ОД

2 8 к:э,'1 2303

Куц Елена Владиславовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ВОДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИИ

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киров - 2000

Работа выполнена на кафедре промышленной экологии и безопасности Вятского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Флегентов И.В.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Гимранов Ф.М.

кандидат химических наук, доцент Ляпунова Г.Б.

Ведущая организация: - Акционерное общество

"Фанерный комбинат "Красный якорь", г. Слободской

Защита состоится " <Х " Ы^ОМлЛ._2000 г. в часов на

заседании диссертационного совета К064.69.02 в Вятском государственном техническом университете по адресу: 610000, г. Киров, ул. Московская, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Вятского государственного технического университета.

Автореферат разослан

" СОууии/АЛ 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета /т/

кандидат технических наук Б.И. Дегтерев

НШЙ - 4 е 446.0 + Н^НМ-Л* тх

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ*

Актуальность темы. Состояние водных объектов является одним из основных показателей общей экологической обстановки.

В России высок уровень загрязнения водного бассейна. Сохраняется напряженная обстановка с обеспечением населения доброкачественной питьевой водой. Общее состояние водных источников (поверхностных и подземных) и систем централизованного питьевого водоснабжения не гарантирует требуемого качества питьевой воды. Каждая пятая проба водопроводной воды в России содержит вредные химические вещества в количествах, превышающих нормы предельно допустимых концентраций, каждая восьмая проба не соответствует нормам по бактериологии. Традиционные методы очистки производственных и бытовых сточных вод не в со-»/ стоянии в настоящее время обеспечить требуемого качества воды. Поэтому создание и исследование новых, экологически безопасных, надежных и эффективных систем очистки воды является актуальной задачей.

Для нашей области, где особенно развита промышленность лесного комплекса (235 предприятий), характерно загрязнение водного бассейна фенолами, образующимися в процессе обработки древесины и её распаде. Среднегодовое содержание фенолов в главном водном объекте Кировской области реке Вятке находится на уровне 2-3 ПДК, максимальные концентрации достигали 19 ПДК. Поэтому особую актуальность для нашей области представляет исследование и внедрение эффективных методов очи-V стки от фенолов.

Воду, содержащую фенол, очищают с использованием органических растворителей, ионитов, сорбентов, ректификацией циркулирующим водяным паром, окислением фенолразрушающими бактериями и т.д. Но чаще всего эти методы не приводят к полной очистке воды от фенолов, а также требуют для своего применения тщательного контроля за содержанием примесей в воде, подбора соответствующих экстрагентов, сорбентов и ионитов, громоздкого и сложного оборудования, большого расхода электроэнергии. В технологиях водоподготовки и очистки промышленных сточ-^ ных вод широко применяется' хлорирование,, при использовании которого для обесфеноливания воды возможно образование побочных соединений, однако отказаться от хлорирования в настоящее время не представляется возможным. Поэтому актуальной задачей является возможность уменьшения избыточного поступления хлора в воду за счет более полной его абсорбции водой.

* В руководстве работой принимал участие кандидат технических наук, доцент Дегтерев Б.И.

В настоящее время одним из самых перспективных методов является озонирование, которое позволяет эффективно воздействовать на большое число различных загрязнителей естественного и искусственного происхождения с одновременным обеззараживанием воды. Озонирование не приводит к увеличению солевого состава очищаемых вод. Озон можно получать непосредственно на очистных сооружениях, а источником служит воздух или кислород. Процесс легко поддается автоматизации.

Исключительная окислительная способность озона (как окислитель он уступает только фтору) позволяет окислять фенолы до альдегидов, органических кислот, а в конечном итоге до углекислого газа и воды. Однако узким местом процесса является аппаратурное оформление узла смешения озона с водой. Большая разница удельного веса воды и воздуха приводит к их быстрому расслоению, большое поверхностное натяжение создает препятствия для мелкого диспергирования. Для успешного применения метода необходимо применять высокоинтенсивные контактные аппараты, обеспечивающие достаточно полное поглощение озона водой.

Цель работы: совершенствование технологии очистки воды от органических соединений на основе интенсификации смешения озона с обрабатываемой водой за счет использования гидродинамической кавитации.

В связи с этим были решены следующие задачи:

• исследование влияния гидродинамической кавитации на основные показатели качества воды;

• исследование влияния гидродинамической кавитации на процесс перемешивания двухфазных систем;

• изучение влияния различных факторов на процесс очистки воды от фенола методом озонирования с использованием кавитации;

• построение математической модели, адекватно описывающей процесс очистки воды, и ей изучение;

• получение оптимальных значений основных факторов, влияющих на процесс очистки;

• исследование эффективности предложенной схемы очистки в реальных условиях;

• оценка возможности биологической доочистки предварительно V озонированных производственных сточных вод.

Научная новична. Разработана установка для очистки воды, в которой для повышения эффективности процессов обезвреживания использован смеситель кавитационного типа. Установлен характер влияния определяющих факторов на степень очистки воды от фенолов. Найдены оптимальные условия проведения процесса.

Проведена оценка токсичности озонированной воды по отношению к микроорганизмам биофильтра в промышленных условиях.

Практическая ценность. Предложенная схема очистки и полученные результаты могут быть использованы для улучшения качества водо-

подготовки на водопроводных очистных сооружениях, а также в системах очистки производственных сточных вод химических, машиностроительных предприятий, ТЭЦ и других производств. Применение явления гидродинамической кавитации для интенсификации смешения двухфазных потоков может быть использовано для экономии дезинфекганта при его введении в обрабатываемую воду на водопроводных очистных сооружениях за счет более полной его абсорбции водой.

Результаты работы апробированы и приняты к внедрению на очистных сооружениях фанерного комбината «Красный якорь» г. Слободского, на водопроводной станции МП «Водоканал» г. Кирова. Предложенная схема смешения хлора с обрабатываемой водой внедрена на водопроводной станции МП «Водоканал» г. Кирова и позволила обеспечить экономию хлора при водоподготовке в среднем на 20%.

На защиту выносятся:

• комплексный способ очистки воды от фенолов озонированием с использованием гидродинамической кавитации;

• результаты исследований процесса очистки воды озонированием с использованием гидродинамической кавитации;

• результаты исследований влияния обработанной озоном воды на микроорганизмы биофильтра;

• результаты исследований по интенсификации процесса смешения хлора с водой за счет использования гидродинамической кавитации.

Достоверность полученных результатов подтверждается их статистическим анализом, совпадением результатов исследований с имеющимися литературными данными; обеспечивается использованием аппарата математической статистики для обработки экспериментальных данных и определения погрешностей опыта.

Апробация работы. Материалы работы докладывались на научно практической конференции «Космос и экология» (г. Киров, 1995); 4 и 5-ой научно-практической конференции «Региональные и муниципальные проблемы природопользования» (г.Кирово-Чепецк, 1996,1998); на «Международной конференции по озонированию и другим процессам окисления в воде и очистке сточных вод» (Берлин, 1997); на 10 Всероссийском совещании «Совершенствование технологии гальванических покрытий» (г.Киров, 1997); на региональной научно-технической конференции «Наука-производство-технология-экология» (г.Киров, 1998, 2000); на межрегиональной научной конференции «Химия на пути в XXI век» (г.Ухта, 2000).

Работа выполнена на кафедре промышленной экологии и безопасности Вятского государственного технического университета в рамках единого заказ-наряда и тематического плана Министерства образования Российской Федерации на 1997-2001 годы по теме «Очистка воды от загрязнителей методом озонирования с использованием кавитации», а также в рамках программы по выигранному гранту «Фундаментальные проблемы ох-

раны окружающей среды и экологии человека» на 1996-1997 годы по теме «Очистка сточных вод от фенолов и нефтепродуктов методом озонирования с использованием кавитации».

Публикации результатов. По материалам диссертации опубликовано 13 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 147 источников, приложений. Материал изложен на страницах, содержит 5 9 рисунков и таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан краткий обзор современного состояния проблемы, обоснована актуальность проводимой работы и ее цель.

В главе 1 на основе обзора литературных данных проведен анализ существующих методов очистки воды от фенолов, выявлены их недостатки. Показана необходимость изучения и применения, новых экологически чистых методов очистки, которые были бы лишены указанных недостатков.

В главе 2 обоснована возможность применения озонирования для очистки воды как от фенолов, так и от других загрязняющих веществ. Однако выявлено, что литературные данные о количественных затратах озона для окисления фенола весьма противоречивы, что вызывает трудности при решении практических задач.

Процесс перехода озона из озоно-кислородной (или озоно-воздушной смеси) в обрабатываемую воду по его физической сущности относится к процессам массопередачи, а именно абсорбции, сопровождаемой химической реакцией в жидкой фазе (хемосорбция).

На основе анализа процесса абсорбции труднорастворимого газа озона водой выявлены условия, соблюдение которых при выборе конструкции массообменного аппарата позволит проводить процесс хемосорб-ции труднорастворимых газов с высокой эффективностью:

• сильная турбулизация жидкой фазы с целью быстрого насыщения поглощаемым компонентом;

• обеспечение высокой концентрации поглощаемого компонента в

фазе.

Применяемые методы смешения озона с обрабатываемой водой не обеспечивают соблюдение требуемых условий. Степень использования озона в применяемых аппаратах для смешения довольно низка, поэтому для получения требуемой степени очистки необходимы высокие дозы озона. Кроме того, непрореагировавший озон (при отсутствии рекуперации) выделяется в окружающий воздух и оказывает токсическое действие на живые организмы.

Для смешения озона с обрабатываемой водой предложено и обосновано использовать явление гидродинамической кавитации. Под кавитацией понимают процесс нарушения сплошности внутри жидкости с образованием и схлопыванием парогазовых пузырьков. При этом в жидкостях происходят сложные физико-химические явления, в результате которых не только ускоряются отдельные химические реакции, но и происходят реакции, не идущие в других условиях.

Рассмотрена взаимосвязь интенсивности кавитационного перемешивания с эрозионной активностью гидродинамической кавитации. На основании анализа литературных данных сделан вывод о том, что максимальная интенсивность навигационной обработки технологической среды и эрозионное разрушение твердых поверхностей наблюдаются при одних и тех же режимах работы кавитационного аппарата.

Таким образом, интенсивность кавитационного перемешивания связана с сильной местной турбулизацией потока, возникающей в процессе образования и схлопывания навигационных пузырьков.

Кроме того, гидродинамическая кавитация сопровождается дополнительными химическими эффектами, которые могут положительно влиять на процесс очистки воды.

В главе 3 поставлены основные задачи экспериментальных исследований, приводится программа и методика исследований, дается описание использованных в экспериментах установок, оборудования, материалов, а также методик выполнения анализов и проводимых опытов.

Разработана методика исследования влияния гидродинамической кавитации на процесс очистки воды. Предложена экспериментальная установка, включающая в себя навигационный реактор проточного типа, в котором кавитация создавалась при обтекании потока воды цилиндрического препятствия. Процесс рекомендуется проводить при развитой стадии кавитации. В гидродинамических установках ее величина изменяется в зависимости от размеров зоны кавитации и определяется относительной длиной кавитационной зоны:

яЛ, а

где I - длина зоны кавитации; с/ - диаметр возбудителя кавитации.

При X - 2 - 3 стадия кавитации развитая, интенсивность кавитационного воздействия наибольшая.

Разработана методика проведения сравнительных экспериментальных исследований по определению эффективности смешения двухфазных потоков с использованием кавитационного и эжекционного смесителей.

Для изучения процесса очистки воды от фенола озонированием с использованием для смешения гидродинамической кавитации были применены методы математического планирования экспериментов, которые обеспечивают наиболее короткий путь к экстремуму.

Основным преимуществом методов математического планирования экспериментов по сравнению с обычными методами исследований является одновременное варьирование всех влияющих факторов и движение к оптимальной области кратчайшим путем с минимальным количеством опытов.

С учетом поставленных задач и предложенных методов исследования создана экспериментальная установка, позволяющая проводить процесс очистки воды от фенола с варьированием основных факторов, влияющих на этот процесс.

Выбран критерий оптимизации (степень очистки воды от фенола) и на основании проведенного анализа литературных данных определены основные факторы варьирования и их значения.

Произведена оценка основных погрешностей как самих приборных устройств, так и используемых в процессе проведения экспериментов методик.

Глава 4 посвящена изложению и обсуждению экспериментальных исследований по интенсификации процессов очистки воды с использованием гидродинамической кавитации.

Первоначально были проведены исследования по определению влияния гидродинамической кавитации на основные показатели качества воды.

Результаты исследований показали, что содержание остаточного хлора уменьшилось на 10-13%; на 9% уменьшилось содержание остаточного железа; на 5-12,5% уменьшилось содержание аммиака; на 4-7% уменьшилось содержание хлоридов; на 50% уменьшилось содержание нитритов. Реакция среды рН немного увеличилась. Остальные показатели качества воды не изменились.

Анализируя результаты исследований, можно сделать вывод о том, что гидродинамическая кавитация оказывает некоторое влияние на улучшение показателей качества воды. Однако, при совместном её использовании с другими методами очистки, этот эффект может быть значительно увеличен.

Можно предположить, что увеличение реакции среды рН, наблюдаемое при кавитации, будет инициировать образование оксирадикалов ОН' при совместном её использовании с озоном, что вызовет, согласно литературным данным, дополнительный эффект при окислении органических соединений, в частности фенола.

Исследования по интенсификации перемешивания двухфазных потоков проводились на водопроводной очистной станции г.Кирова, где в качестве дезинфектанта (как и на большинстве очистных станций России) использовался хлор. Вследствие того, что абсорбция различных газов описывается одними и теми же законами, а также вследствие общности механизма взаимодействия хлора и озона на содержащиеся в воде загрязнения, ис-

следования по определению эффективности смешения проводились с использованием хлора. Одновременно была определена возможность экономии хлора за счет более полного его перемешивания с водой.

Исследования по интенсификации перемешивания двухфазных потоков проводились путем сравнения интенсивности перемешивания с использованием кавитационного и эжекционного смесителей, т.к., согласно обзору литературных данных, наилучшие результаты по процессу смешения двухфазных потоков до настоящего времени были получены при использовании эжекционного смесителя.

Было установлено, что содержание остаточного хлора после смешения его с водой в режиме кавитации было в некоторых случаях в два-три раза больше, чем после смешения с использованием эжекционного смесителя, т.е. кавитационный смеситель обеспечивал большую абсорбцию хлора водой по сравнению с эжекционным смесителем и, следовательно, его применение может обеспечить значительную экономию хлора.

После предварительных исследований, подтвердивших эффективность применения гидродинамической кавитации как для улучшения показателей качества воды, так и для интенсификации процесса перемешивания двухфазных потоков, были проведены исследования процесса очистки воды от фенола озонированием с использованием для смешения озона с обрабатываемой водой гидродинамической кавитации.

Для построения математической модели процесса очистки была реализована одна четвертая часть реплики полного пятифакгорного эксперимента. Основные факторы, их значения и интервалы варьирования представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения факторов и интервалы варьирования для пятифак-торного эксперимента

Действительные значения факторов 0!в (хО, дм /с Оо«<и(х2), дм3/ дм3 С„./Сф (хз), мг/мг Т(Х4), с. п (х5),

Основной Уровень 0,14 0,5 1,75 690 2,5

Интервал Варьирования 0,008 0,1 0,75 150 0,5

Верхний Уровень 0,15 0,6 2,5 840 3

Нижний Уровень 0,13 0,4 1 540 2

Результаты исследований были обработаны методами регрессионного анализа. Было получено уравнение регрессии. Значимость коэффициентов регрессии оценивалась с использованием критерия Стьюдента. Опыт-

ные значения критерия Стьюдента для факторов Х4 и Х5 оказались меньше критического, поэтому эти факторы, как слабо влияющие на процесс, были исключены из математической модели. Отсеивание факторов Х4 и Х5 согласуется с некоторыми литературными данными, в которых говорится о том, что процесс очистки воды от фенола методом озонирования протекает в режиме быстрой реакции (диффузионная область), и, следовательно, эффективность его определяется не продолжительностью контакта, а в первую очередь величиной удельной поверхности контакта фаз. Адекватность уравнения оценивалась критерием Фишера. Опытное его значение оказалось меньше критического, поэтому был сделан вывод о том, что уравнение адекватно описывает полученные результаты.

Математическая модель для определения эффективности процесса очистки воды от фенола (уравнение регрессии) имеет вид: у = 85,25 - 4,88х, + 5,36х2 + 6,82х,

С целью дальнейшего исследования процесса очистки воды от фенола, чтобы более точно изучить влияние факторов X], х2 и хз на процесс очистки воды, была проведена следующая серия опытных экспериментов при фиксированном значении факторов, которые отсеялись в ходе проведения предыдущих экспериментов. Был реализован полный трехфактор-ный эксперимент. Значения факторов, интервалы варьирования были выбраны аналогично ранее проведенной серии экспериментов. Была получена математическая модель, в которой все факторы оказались значимыми и которая адекватно описывает опытные данные:

у = 70,97 - 4,39л:, + 4,70*, + 9,73*3.

' Анализ математической модели проводился графоаналитическим способом.

На рисунке 1 показаны двумерные сечения поверхности отклика, характеризующие изменение степени очистки от расхода очищаемой воды (Х1) и газосодержания (х2) при фиксированном значении удельного количества озона (хз = + 1). Анализ сечения показывает, что при увеличении газосодержания и уменьшении расхода воды наблюдается повышение степени очистки.

На рисунке 2 показаны двумерные сечения поверхности отклика, характеризующие изменение степени очистки от газосодержания (х;) и удельного количества озона (хз) при фиксированном значении расхода воды (х, = - 1). Анализ сечения показывает, что при увеличении как газосодержания, так и удельного количества озона увеличивается степень очистки.

1

X,

у/ / ШАГ У у/ 14%/ / / вг%/ 80%/ /

/ / 0

/ 76%/

/ 74%/

/ / 72%

// У

-I

Рисунок 1- Двумерные сечения поверхности отклика, характеризующие изменение степени очистки в зависимости от расхода очищаемой воды (X]) и газосодержания (Х2), (Хз = +1)

Рисунок 2 - Двумерные сечения поверхности отклика, характеризующие изменение степени очистки в зависимости от газосодержания (Хг) и удельного количества озона (Хз), (Х| = - 1)

Рисунок 3 - Двумерные сечения поверхности отклика, характеризующие изменение степени очистки в зависимости от расхода очищаемой воды (X)) и удельного количества озона (Хз), (X 2 = +1)

На рисунке 3 показаны двумерные сечения поверхности отклика, характеризующие изменение степени очистки от расхода очищаемой воды (х]) и удельного количества озона (хз) при фиксированном значении газосодержания (хг = + 1). Анализ сечения показывает, что при уменьшении расхода воды и при увеличении удельного количества озона увеличивается степень очистки.

Для определения оптимальных значений основных факторов,

влияющих на процесс очистки воды, было предпринято крутое восхождение по поверхности отклика в направлении максимума параметра оптимизации. Данная операция осуществлялась при изменении факторов пропорционально их коэффициентам регрессии в ту сторону, которую указывают знаки коэффициентов. Расчет показал, что при определенном режиме работа установки можно добиться высокой степени очистки - 97,3 %. Проведенный в данной точке факторного пространства эксперимент при С?св = 0,132 дм /с, (ЗоиАЗсв — 0,65 и СоуСф —3,15 мг/мг, дал эффективность очистки около 97%. Таким образом, значение удельного расхода озона, позволяющее произвести почти полную деструкцию фенола, составило 3,15 мг озона на мг фенола, т.е. менее, чем значения, приводимые в литературных источниках. Это подтверждает эффективность использованного метода.

В главе 5 исследована возможность практического применения предложенной системы очистки.

Для этого проведены экспериментальные исследования по очистке промышленных сточных вод фанерного комбината «Красный якорь» г.Слободского и по доочистке водопроводной воды на водопроводной очистной станции г.Кирова.

Результаты предварительных исследований по очистке производственных сточных вод фанерного комбината представлены на рисунках 4 и 5.

« §

X и

■е-

а и

I

л X

V

•

У = 37, Г39е*' >МЯх \ /

>

0 2 4

8 10 12

удельное количество озона

« ч

о К

О!

£

3 &

а &

V

4 Л

н

и

У = 43Дб5е2 . и, /т( ■ 19Ш,

' Я

■

0,1 02 0,3 0.4

Газосодержание

Рисунок 4- Зависимость степени де- Рисунок 5 - Зависимость степени струкции фенола от удельного коли- деструкции фенола от газосодер-чества озона жания

Характер кривых указывает на то, что при увеличении удельного количества озона и газосодержания степень деструкции фенола возрастает. Это подтверждает полученные ранее результаты. Большие удельные дозы

озона объясняются тем, что в производственных сточных водах одновременно присутствуют различные загрязняющие вещества, т.е. озон расходуется на окисление этих веществ.

Таким образом, при увеличении газосодержания степень очистки воды от этих загрязняющих веществ может быть увеличена.

Затем были проведены экспериментальные исследования, в которых значения основных факторов, влияющих на процесс очистки, были выдержаны на оптимальном уровне (который был получен при обработке трех-факторного эксперимента при крутом восхождении по поверхности отклика), а именно:

• газосодержание: Оок/О™ = 0,65;

• удельное количество озона: С0/Сф = 3,15 мг/мг.

Исследовалась вода от бассейнов термической обработки древесины,

содержащая в основном фенолы и другие органические соединения.

Для сравнения результатов также были проведены опыты, где газосодержание и удельное количество озона было взято на нижнем, основном и верхнем уровнях, согласно значениям, принятым при проведении трех-факторного эксперимента. Результаты исследований представлены на рисунках 6 и 7. Максимальная степень очистки, как видно из графиков, наблюдается при оптимальных значениях основных факторов, т.е. подтверждает результаты, полученные при лабораторных исследованиях.

Удельное количество озона

Рисунок 6 - Зависимость степени деструкции фенола от удельного количества озона

Рисунок 7 - Зависимость степени деструкции фенола от газосодержания

Для определения возможности включения предложенной системы очистки в существующую схему локальных очистных сооружений комбината была оценена степень токсичности озонированной воды по отношению к микроорганизмам биофильтра, располагавшегося после системы озонирования по ходу движения очищаемой воды.

Анализ результатов исследований показал, что после озонирования сточных вод в них наблюдался выраженный бактерицидный эффект - степень обеззараживания составила 52,9 - 94 %. В то же время микроорганизмы биофильтра не подвергались воздействию озона, т.к. он расходовался на окисление загрязняющих веществ до подхода стоков на биофильтр.

В состав микроорганизмов биопленки входили представители 7 родов микроорганизмов: Pseudomonas, Bacillus, Actinomyces, Alealigenus, Rodococcus. После инокуляции микроорганизмов в сточные воды и инкубации посевов в течении 18 часов при комнатной температуре, наблюдался рост микроорганизмов от исходного (250) микробных клеток в 60 - 320 раз.

Таким образом, сточные воды комбината после обработки их озонированием могут подаваться на биофильтр без последующего снижения жизнеспособности и видового состава микроорганизмов биофильтра.

Для определения возможности внедрения предложенной системы очистки на фанерном комбинате, было проведено сравнение экономической эффективности предлагаемой схемы очистки (основанной на озонировании с применением кавитации для смешения обрабатываемой воды с озоно-кислородной смесью) и наиболее часто применяемой технологии озонирования, основанной на смешении озона с обрабатываемой водой методом барботирования озоно-кислородной смеси сквозь толщу воды.

Экономическая оценка различных методов обеззараживания проводилась путем сопоставления их экономических результатов с необходимыми для их осуществления затратами с помощью показателей сравнительной эффективности природоохранных затрат и чистого экономического эффекта природоохранных мероприятий. Результаты исследований представлены на диаграммах (рисунок 7).

Из представленных диаграмм видно, что использование кавитацион-ной установки несет больший чистый экономический эффект по сравнению с применением традиционной технологии озонирования, что повлечет за собой значительную экономию денежных средств при ее внедрении.

Для изучения совместного влияния озонирования с кавитацией а также возможности внедрения предложенной системы проводились исследования на водопроводной очистной станции г.Кирова. Максимальная степень очистки составила: по остаточному хлору - 80%, по цветности - 65%, по окисляемости - 81%, по мутности - 20%, по содержанию железа - 16%. Максимальная степень очистки по всем загрязняющим компонентам наблюдалась при концентрации озона в воде 4 мг/дм3 и расходе подаваемой в кавитационный смеситель озоно-кислородной смеси -0,25 дм3/с.

700000 600000 500000 а 400000

I

£ 300000 200000 100000 о

Предотвращенный Головой чистый

ущерб экономический эффект

Озонирование с кавитацией | | Озонирование с барботажем

Рисунок 7 - Сравнение экономической эффективности различных технологий озонирования

На основании исследований был сделан вывод о том, что предложенная система очистки может быть использована для очистки водопроводной воды и улучшения её основных показателей.

Общие выводы :

1. На основе анализа данных научно-технической литературы установлено, что для очистки промышленных и питьевых вод одним из наиболее перспективных представляется применение метода озонирования. Однако для успешного применения этого метода необходимы более совершенные методы смешения озона с обрабатываемой водой.

2. Для с смешения озона с обрабатываемой водой предложено использовать явление гидродинамической кавитации. На основании литературных данных определены режимы, при которых кавитация оказывает наиболее интенсивное действие на процесс перемешивания двухфазных потоков.

3. Экспериментально установлено, что гидродинамическая кавитация (без использования дополнительных реагентных методов очистки) несколько улучшает основные показатели качества водопроводной воды.

4. Использование гидродинамической кавитации для интенсификации процесса смешения двухфазных потоков позволяет интенсифициро-

вать процесс смешения, что позволяет экономить энергетические и сырьевые ресурсы, используемые для процессов водоочистки.

5. Предложена система очистки воды и разработана лабораторная экспериментальная установка, позволяющая моделировать процессы очистки воды и проводить экспериментальные исследования с варьированием различных факторов, влияющих на эти процессы.

6. С использованием методов математического планирования экспериментов исследован процесс очистки воды от фенолов. Построена математическая модель, адекватно описывающая опытные данные и позволяющая определить максимальную степень очистки. На основании анализа полученной модели, изучено влияние основных факторов, влияющих на процесс очистки воды от фенолов. Определены оптимальные значения исследуемых факторов. При этом значение удельного расхода озона, позволяющее произвести почти полную деструкцию фенола, составило 3,15 мг озона на мг фенола, т.е. менее, чем значения, приводимые в литературных источниках.

7. Исследована возможность промышленного ррименения предложенной системы очистки. Установлено, что предлагаемая система очистки воды может быть успешно применена для очистки промышленных сточных вод от фенолов и нефтепродуктов, а также для очистки водопроводной воды и улучшения её основных показателей.

8. Исследована возможность доочистки предварительно озонированных производственных сточных вод биологическими методами. Установлено, что прошедшая очистку озонированием вода может подаваться на биофильтр очистных сооружений без последующего снижения жизнеспособности и видового состава микроорганизмов биопленки.

9. Путем сравнения экономической эффективности предлагаемой схемы очистки (основанной на озонировании с применением кавитации для смешения обрабатываемой воды с озоно-кислородной смесью) и наиболее часто применяемой технологии озонирования, основанной на смешении озона с обрабатываемой водой методом барботирования озоно-кислородной смеси сквозь толщу воды установлено, что внедрение предложенной схемы очистки несет больший экономический эффект.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Очистка сточных вод от фенола и нефтепродуктов методом озонирования с использованием кавитации / Флегентов И,В., Дегтерев Б.И., Куц Е.В., Акчурин Р.Ю. // Региональная научно-практическая конференция «Космос и экология»: Тезисы докладов,- Киров, 1995. - С. 30-31.

2. Влияние предварительного озонирования на выживаемость и видовой состав микроорганизмов биофильтра / КуцЕ.В., Погорельский И.П.,

Флегентов И.В., Дегтерев Б.И // 4-я научно-практическая конференция «Региональные и муниципальные проблемы природопользования»: Сб. материалов. - Кирово-Чепецк, 1996. - С. 65-66.

3. Применение метода озонирования с использованием кавитации для доочистки питьевой воды / Флегентов И.В., Дегтерев Б.И, Куц Е.В., Акчурин Р.Ю. // 4-я научно-практическая конференция «Региональные и муниципальные проблемы природопользования»: Сб. материалов. - Киро-во-Чепецк, 1996. - С. 118.

4. Treatment of waste waters with ozone using cavitation / Fleguentov I.V., Degterev B.I., Kuts E.V., Akchurin R.Y. // International conference on ozonation and related oxidation processes in water and liquid waste treatment. -Berlin, 1997. P. II.6.1 - II.6.12.

5. Очистка промышленных стоков от фенолов и нефтепродуктов / Флегентов И.В., Дегтерев Б.И., Куц Е.В., Суханова И.В., Акчурин Р.Ю. // Тезисы докладов X Всероссийского совещания «Совершенствование технологии гальванических покрытий». - Киров, 1997. - С. 27-28.

6. Способы очистки промышленных стоков /Флегентов И.В., Дегтерев Б.И., Куц Е.В., Акчурин.Р.Ю., Суханова И.В. // Информационный листок № 225-97. - Киров: ЦНТИ, 1997. - 2с.

7. Применение кавитации для интесификации процесса приготовления хлорной воды / Флегентов И.В., Дегтерев Б.И., Куц Е.В., Акчурин Р.Ю. // Ежегодная научно-техническая конференция ВятГТУ «Наука-производство-технология-экология»: Сб. материалов. - Киров, 1998. - Т.1.-С.208-209.

8. Очистка питьевых и сточных вод от фенола / Флегентов И.В., Дегтерев Б.И., Куц Е.В., Суханова И.И. // Ежегодная научно-техническая конференция ВятГТУ «Наука-производство-технология-экология»: Сб. материалов. - Киров, 1998. - Т.1.- С.209-211.

9. Интенсификация приготовления хлорной воды для процесса подготовки питьевой воды / Флегентов И.В., Дегтерев Б.И., Куц Е.В., Акчурин Р.Ю. // 5-я научно-практическая конференция «Региональные и муниципальные проблемы природопользования»: Сб. материалов. - Кирово-Чепецк, 1998.-С. 133-135.

10. Определение оптимальных параметров процесса озонирования / Флегентов И.В., Дегтерев Б.И., Куц Е.В., Суханова И.И., Беляев А.Н. // 5-я научно-практическая конференция «Региональные и муниципальные проблемы природопользования»: Сб. материалов. - Кирово-Чепецк, 1998. -С. 135-136.

11. Факторные эксперименты по озонированию фенолсодержащей воды / Флегентов И.В., Дегтерев Б.И., Куц Е.В. // Ежегодная научно-техническая конференция ВятГТУ «Наука-производство-технология-экология»: Сб. материалов. - Киров, 2000. - С. 135-136.

12. Очистка сточных вод от фенола озонированием / Флегентов И.В.,

Деггерев Б.И., Куц Е.В. // Межрегиональная научная конференция «Химия на пути в XXI век»: Сб. материалов. - Ухта, 2000.- С. 21.

13. Экономия хлора при водоподготовке / Флегентов И.В., Деггерев Б.И., Куц Е.В., Беляев. А.Н. // Межрегиональная научная конференция «Химия на пути в XXI век»: Сб. материалов. - Ухта, 2000,- С. 22.

Обозначение основных величин.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВЫХ И СТОЧНЫХ ВОД ОТ ФЕНОЛОВ.

1.1 Фенол, его токсичность и влияние на качество воды и организм человека.

1.2 Обзор существующих методов очистки сточных вод от фенолов.

1.3 Выводы.

2 ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ОЗОНИРОВАНИЯ ВОДЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИЕЙ.

2.1 Озон, его строение и свойства.

2.2 Применение озона для глубокой очистки фенолсодержащих вод

2.2.1 Механизм реакции озона с фенолом.

2.2.2 Токсичность продуктов, образующихся при окислении фенола озоном.

2.3 Применение озона для очистки и обеззараживания вод, используемых для питьевых целей.

2.3.1 Применение озонирования на различных стадиях водо-подготовки.

2.3.2 Обеззараживание воды озоном.

2.4 Смешение озона с водой.

2.4.1 Конструкции контактных аппаратов, применяемых для смешения озона с водой.

2.5 Научные предпосылки применения явления гидродинамической кавитации для интенсификации процесса очистки воды.

2.5.1 Сущность и классификации явления кавитации.

2.5.2 Взаимосвязь интенсивности кавитационного перемешивания с эрозионной активностью гидродинамической кавитации.

2.5.3 Анализ факторов, влияющих на интенсивность кавитации в гидродинамических установках.

2.6 Химические явления, возникающие при кавитации и их возможность влиять на процесс очистки воды.

2.7 Выводы.

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИСЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Программа экспериментальных исследований.

3.2 Методика проведения экспериментальных исследований по определению влияния гидродинамической кавитации на основные показатели качества воды.

3.3 Методика проведения сравнительных экспериментальных исследований по определению эффективности смешения двухфазных потоков с использованием кавитационного и эжекционного смесителей.

3.4 Общая методика проведения экспериментальных исследований по определению влияния различных факторов на процесс очистки воды от фенола и определению их оптимальных значений.

3.4.1 Описание лабораторной экспериментальной установки и её основных узлов.

3.4.2 Техника безопасности при работе с озоном и методика определения концентрации озона в воздухе.

3.4.3 Выбор критерия оптимизации и основных факторов варьирования

3.4.4 Методика определения концентрации фенола в воде.

3.4.5 Методика проведения экспериментальных исследований.

3.4.6 Выбор значений основных факторов, влияющих на процесс очистки воды.

3.4.7 Методика проведения многофакторного эксперимента по оптимизации факторов, влияющих на процесс очистки воды от фенола

3.4.8 Оценка погрешности измерений.

3.4.9 Выводы.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Результаты исследований по определению влияния гидродинамической кавитации на улучшение основных показателей качества воды

4.2 Сравнительные результаты использования кавитационного и эжекционного смесителей и их результаты.

4.3 Построение математической модели процесса очистки воды от фенола методом реализации пятифакторного эксперимента (по плану 25"2).

4.4 Построение математической модели очистки воды от фенола методом реализации полного трехфакторного эксперимента по плану 23).

4.5 Крутое восхождение к максимуму функции отклика.

4.6 Выводы

5 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,

ПРОВЕДЕННЫХ В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ.

5.1 Исследование процесса очистки промышленных сточных вод фанерного комбината "Красный якорь" г.Слободского.

5.2 Исследование влияния озонированных производственных сточных вод комбината на микроорганизмы биофильтра.

5.3 Исследования совместного влияния озонирования и кавитации на улучшение качества водопроводной воды.

5.4 Оценка экономической эффективности применения методов очистки воды от фенола озонированием.

5.5 Выводы.

Состояние водных объектов является одним из основных показателей общей жологической обстановки.

В России высок уровень загрязнения водного бассейна. Сохраняется напря-кенная обстановка с обеспечением населения доброкачественной питьевой водой. Эбщее состояние водных источников (поверхностных и подземных) и систем цен-грализованного питьевого водоснабжения не гарантирует требуемого качества питьевой воды. Каждая пятая проба водопроводной воды в России содержит вредные шмические вещества в количествах, превышающих нормы предельно допустимых шнцентраций, каждая восьмая проба не соответствует нормам по бактериологии [1]. Градиционные методы очистки производственных и бытовых сточных вод не в состоянии в настоящее время обеспечить требуемого качества воды. Поэтому создание л исследование новых, экологически безопасных, надежных и эффективных систем эчистки воды является актуальной задачей.

Для нашей области, где особенно развита промышленность лесного комплекса 235 предприятий), характерно загрязнение водного бассейна фенолами, образующимися в процессе обработки древесины и при её распаде. Среднегодовое содержание фенолов в главном водном объекте Кировской области реке Вятке находится на фовне 2-3 ПДК, максимальные концентрации достигали 19 ПДК. Поэтому особую актуальность для нашей области представляет исследование и внедрение эффективных методов очистки от фенолов.

Воду, содержащую фенол, очищают с использованием органических раство-эителей, ионитов, сорбентов, ректификацией циркулирующим водяным паром, жислением фенолразрушающими бактериями, различными окислителями. Но чаще всего эти методы не приводят к полной очистке воды от фенолов, а также требуют аля своего применения тщательного контроля за содержанием примесей в воде, подбора соответствующих экстрагентов, сорбентов и ионитов, громоздкого и сложного оборудования, большого расхода электроэнергии. В технологиях водоподго7 говки и очистки промышленных сточных вод широко применяется хлорирование, зри использовании которого для обесфеноливания воды возможно образование побочных соединений, однако отказаться от хлорирования в настоящее время не представляется возможным. Поэтому актуальным является возможность уменьшения избыточного поступления хлора в воду за счет более полной его абсорбции водой.

В настоящее время одним из самых перспективных методов является озониро-зание, которое позволяет эффективно воздействовать на большое число различных загрязнителей естественного и искусственного происхождения с одновременным эбеззараживанием воды. Озонирование не приводит к ухудшению солевого состава эчшцаемых вод. Озон можно получать непосредственно на очистных сооружениях, 1 источником служит воздух или кислород. Процесс легко поддается автоматизации.

Исключительная окислительная способность озона (как окислитель он уступает только фтору) позволяет окислять фенолы до альдегидов, органических кислот, а з конечном итоге до углекислоты и воды. Однако узким местом процесса является аппаратурное оформление узла смешения озона с водой. Большая разница удельного зеса воды и воздуха приводит к их быстрому расслоению, большое поверхностное аатяжение создает препятствия для мелкого диспергирования. Для успешного применения метода необходимо применять высокоинтенсивные контактные аппараты, збеспечивающие достаточно полное поглощение озона водой.

Целью работы являлось совершенствование технологии очистки воды от органических соединений на основе интенсификации смешения озона с обрабатываемой водой за счет использования гидродинамической кавитации.

Научная новизна. Разработана установка для очистки воды, в которой для повышения эффективности процессов обезвреживания использован смеситель кавита-дионного типа. Исследован процесс очистки воды от фенолов и установлен характер злияния определяющих факторов на степень очистки для исследованной области факторного пространства. Найдены оптимальные условия проведения процесса.

Проведена оценка токсичности озонированной воды по отношению к микроорганизмам биофильтра в промышленных условиях. 8

Практическая ценность. Предложенная схема очистки и полученные результа-гы могут быть использованы для улучшения качества водоподготовки на водопро-юдных очистных сооружениях, а также в системах очистки производственных сточных вод химических, машиностроительных предприятий, ТЭЦ и других производств. Использование явления гидродинамической кавитации для интенсификации смешения двухфазных потоков может быть использовано для экономии дезинфек-ганта при его введении в обрабатываемую воду на водопроводных очистных соору-кениях.

Результаты работы апробированы и приняты к внедрению на очистных со->ружениях фанерного комбината «Красный якорь» г. Слободского, на водопровод-юй станции МП «Водоканал» г. Кирова. Предложенная схема смешения хлора с обкатываемой водой внедрена на водопроводной станции МП «Водоканал» г. Киро-5а и позволила обеспечить экономию хлора при водоподготовке в среднем на 20%.

Автор защищает:

• комплексный способ очистки воды от фенолов озонированием с использованием гидродинамической кавитации;

• результаты исследований процесса очистки воды озонированием с использо-;анием гидродинамической кавитации,

• результаты исследований влияния обработанной озоном воды на микроорга-[измы биофильтра,

• результаты исследований по интенсификации процесса смешения хлора с одой за счет использования гидродинамической кавитации.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка итературы и приложений.