Комплексная очистка стоков промышленных предприятий от нерастворимых взвесей в аппаратах прямоточно- вихревого типа и струйных флотационных аппаратах

УДК 628.543

В. В. Харьков, Д. В. Алексеев, А. А. Шагивалеев,

Н. А. Николаев

КОМПЛЕКСНАЯ ОЧИСТКА СТОКОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ОТ НЕРАСТВОРИМЫХ ВЗВЕСЕЙ В АППАРАТАХ ПРЯМОТОЧНОВИХРЕВОГО ТИПА И СТРУЙНЫХ ФЛОТАЦИОННЫХ АППАРАТАХ

Ключевые слова: сточные воды, нерастворимые взвеси, прямоточно-вихревые аппараты, струйные

флотационные аппараты.

Одной из важнейших проблем в настоящее время является качественная очистка стоков промышленных предприятий. Проведённые экспериментальные исследования эффективности очистки стоков в аппаратах прямоточно-вихревого типа и струйных флотаторах показали высокую эффективность водоочистки, как от грубодисперсных, так и от тонкодисперсных нерастворимых взвесей.

Keywords: industrial waste water, insoluble suspensions, parallel flow-vortex apparatus, ink-jet flotation apparatus.

Nowadays one of the important problems is qualitative waste-water treatment of industrial plants. By experimental research of effective waste-water treatment in the apparatus of parallel flow-type vortex and jet flotation shows the high - performance of water treatment for coarsely dispersed and for fine dispersed insoluble suspensions.

Развитие промышленности привело в настоящее время к серьезному ухудшению экологической обстановки. Одной из острейших проблем является загрязнение водных ресурсов сточными водами промышленных предприятий. Резкое увеличение объёма стоков в последние десятилетия, вызванное ростом производственных мощностей, а также разнообразием загрязняющих веществ, привели к тому, что в ряде регионов уровень загрязнения водных бассейнов в десятки и сотни раз превышает допустимые санитарные нормы.

Несмотря на применение схем оборотного водоснабжения, количество сточных вод промышленных предприятий катастрофически увеличивается, поскольку большинство очистных сооружений предприятий не в состоянии обеспечить качественную очистку стоков в соответствии с существующими нормативами [1].

Наиболее распространённым способом очистки стоков промышленных предприятий от жидких и твёрдых нерастворимых взвесей остаётся гравитационный способ, основанный на разнице удельных весов сплошной и дисперсной фазы. Такой способ разделения гетерогенных систем обладает низкой производительностью. В результате отстойники имеют, как правило, большие габариты. Попытки увеличить скорость разделения гетерогенных систем в отстойниках путём применения коагулянтов и флокулянтов ведут к существенному повышению затрат на процесс разделения и незначительному повышению их эффективности.

Применяемый в некоторых случаях способ фильтрации не является универсальным и пригоден только для очистки промышленных стоков от твёрдых взвесей.

Наиболее перспективными представляются способы очистки стоков промышленных предприятий от жидких и твёрдых нерастворимых взвесей, т. е. комплексная очистка в аппаратах прямоточно-вихревого типа и струйных флотаторах.

Так, например, универсальным и более эффективным является центробежный способ разделения гетерогенных систем в гидроциклонах. Однако, в связи с тем, что в аппаратах этого типа присутствуют два встречных течения сплошной фазы (периферийный и приосевой) в них наблюдается эффект «вторичного уноса», что снижает качество очистки жидкости от тонкодисперсных фракций. Этого недостатка лишены прямоточно-вихревые сепараторы, в

которых реализуется вращательно-поступательное движение несущего потока, но при отсутствии встречных течений в объёме аппарата.

Методика расчёта прямоточно-вихревых сепараторов, предназначенных главным образом для очистки больших объёмов промышленных стоков, как от жидких, так и от твёрдых взвесей, представлена в работах [2, 3].

Общая эффективность разделения гетерогенной системы в сепарационном устройстве определяется соотношением:

где П _ общая эффективность вихревого аппарата; П Ф - фракционная эффективность процесса сепарации; У(а) - объёмная функция распределения дисперсной фазы по размерам; а - диаметр частицы.

Расчёт общей эффективности разделения может быть выполнен только при наличии данных о дисперсном составе дискретной фазы. Параметры течения и геометрия аппарата выбираются так, чтобы достигаемая при этих условиях фракционная эффективность, обеспечивала заданную общую эффективность разделения гетерогенной системы.

На основе полученных соотношений, было проведено исследование закономерностей изменения эффективности процесса разделения гетерогенных систем в прямоточно-вихревом аппарате, в зависимости от дисперсности дискретной фазы, соотношения плотностей, параметров течения потока, геометрии аппарата, и выявлена связь расходных и геометрических параметров прямоточно-вихревых аппаратов с эффективностью разделения гетерогенных систем.

Расчёты выполнялись для двух видов гетерогенных систем: капли нефти (мазута) в воде и частицы шлака (золы) в воде, выбор которых был продиктован необходимостью повышения очистки стоков на предприятиях нефтехимической, энергетической отрасли и установках первичной подготовки нефти.

Расчёты показали, что применение закрутки потока позволяет выполнить удовлетворительное разделение смесей частицы шлака - вода и капли нефти - вода уже при традиционной для трубопроводного транспорта жидких сред среднерасходной скорости потока 0,5^3 м/с (рис. 1,2).

Как и следовало ожидать, эффективность сепарации возрастает при увеличении скорости потока и при росте крутки потока. Значение фракционной эффективности процесса разделения существенно зависит от размера частиц дисперсной фазы. В случае разделения смеси частицы шлака - вода, вид зависимости фракционной эффективности от величины относительного диаметра частицы (рис. 1) является типичным для большинства

сепарационных устройств. Процесс разделения смеси вода - капли нефти протекает более сложно (рис. 2). Эффективность процесса в этом случае, при аналогичных режимных и геометрических параметрах устройств, несколько хуже, чем в случае разделения смеси вода -шлак. Зависимость величины фракционной эффективности от диаметра капли, имеет ассимптоту в области малых диаметров, а интенсивный рост эффективности разделения в узком диапазоне значений диаметров капель свидетельствует о селективном характере протекания процесса и возможности применения вихревого аппарата в качестве сепаратора -классификатора.

Важным геометрическим параметром, определяющим эффективность процесса, является длина аппарата. Её увеличение до определённых, экономически целесообразных пределов позволяет управлять конечным результатом процесса разделения (рис. 3).

Рис. 1 - Зависимость эффективности разделения системы вода - частицы шлака от размера 1 1.5; 4 - 2

размера частиц и крутки потока: П = 1,0 / 1,3; Ре = 7,5-104; z = 20; К = 1 - 0.5; 2 - 1; 3 -

Рис. 2 - Зависимость эффективности разделения системы вода - капли нефти от размера капель и крутки потока: П = 1,0 / 0,8; Ре = 7,5-104; Гп =0,1; Ъ = 20; К = 1 - 0,5; 2 - 1; 3 -

1,5; 4 - 2

Экспериментальные исследования прямоточно-вихревых сепараторов подтвердили их высокую эффективность в широком диапазоне нагрузок и показали, что они наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к устройствам для очистки стоков промышленных предприятий.

В настоящее время с целью очистки стоков от тонкодисперсной взвеси широкое распространение получают флотационные способы водоочистки. В силу своей универсальности, высокой производительности и эффективности флотационный способ позволяет повысить степень очистки воды, уменьшить расход реагентов, сократить продолжительность процесса очистки, снизить обводнённость извлекаемых загрязнений и тем самым упростить процесс их дальнейшей переработки [4-7]. Более совершенные способы флотации, например, безнапорная струйная флотация, позволяет резко сократить энергетические затраты на процесс очистки стоков при одновременном сокращении или полном отказе от применения коагулянтов и флокулянтов.

ПФ

1 Л 0,8 0,6 1

1

Рис. 3 - Влияние длины сепарационной зоны Ъ = х/Н на фракционную эффективность процесса сепарации: К = 1,0 ; Ре = 7,5-104 ; П = 1,0 / 1,3; а = 1 - 2-10-3 ; 2 - 4-10-3 ; 3 - 6-10"3 ; 4 - 1010-3

Как показали экспериментальные данные, струйная флотация позволяет эффективно очищать стоки от тонкодисперсной взвеси за счёт турбулизации жидкой фазы. Механизм турбулентной миграции принципиально отличается от механизма осаждения частиц на поверхности пузырьков газа в неподвижной жидкости и значительно превосходит его по интенсивности осаждения. Физическая сущность явления заключается в том, что мелкая частица увлекается турбулентным молем среды в направлении своего движения к поверхности пузырька газа и движется с тем же ускорением, что и турбулентный моль жидкости. Попадая в область пониженной интенсивности турбулентных пульсаций, частица продолжает сохранять некоторое время свою инерцию и перемещается к стенке пузырька газа. Следствием турбулентной миграции частиц является повышение их концентрации у стенок пузырьков газа и осаждение частиц на межфазной поверхности не только на фронтальной, но и на кормовой части пузырьков.

Известно, что основную роль при осаждении мелких частиц на пузырьки воздуха играет инерционный механизм. В результате, проведена классификация частиц по критерию Стокса в турбулентном потоке на инерционные, слабо инерционные и безынерционные, и установлена эффективность осаждения частиц каждой группы в отдельности и суммарная эффективность осаждения взвешенных частиц (табл. 1).

На основе [8, 9] предложена зависимость для определения осреднённой скорости турбулентной миграции, которая была использована для расчёта эффективности осаждения безынерционных и слабо инерционных частиц.

В результате экспериментальных исследований эффективности струйных флотационных аппаратов с опускными трубами были получены опытные значения эффективности очистки от скорости движения жидкости в перфорированной опускной трубе (рис. 4).

Таблица 1 - Классификация флотируемых частиц в зависимости от степени увлечения турбулентными пульсациями среды

ит =1,146*10 8 •

4 W р г2

1 + _ жгч1

9 ^жЯ Не^8

1

I группа Мр =1 - мелкие частицы, полностью увлекаемые турбулентными пульсациями среды. 6 < 0,3-^ М ж 3 Ре^ М Рч

II группа о< МР<1 - средние частицы, обладающие некоторой инерционностью по отношению к увлечению турбулентными пульсациями среды. 0,3^| М ж Я Ре18 ^ < 6 < 30д МжРч V М ж 3 Ре^ Рч

III группа ЙР = 0 - крупные частицы, не увлекаемые турбулентными пульсациями среды. 6 >30^ М ж 3 Ре^ Рч

Е,%

1

30 -

2

^—•

20 -

3

/

/

10 - 4

/ / т ш -

0 -• 111111111

0 2 4 6 8 10 12 14 16 ^ж, м20

Рис. 4 - Зависимость эффективности очистки от скорости жидкости в перфорированной опускной трубе и количества перфораций г (расчётные и экспериментальные данные): 1.

- г =20; 2. - г =15; 3. - г =10; 4. - г =5

Экспериментальные исследования показали, что эффективность очистки тесно связана с количеством инжектированного воздуха. С увеличением скорости жидкости в перфорированной опускной трубе эффективность очистки растёт. При этом максимальная эффективность, достигнутая при единичном акте флотации, составила 35% при скорости жидкости 18 м/с. Дальнейшее увеличение скорости не приводило к заметному повышению эффективности очистки. Следовательно, можно считать, что для условий эксперимента: диаметр трубы 25 мм; высота трубы 1,8 м; количество перфораций 20, указанная скорость является оптимальной.

С целью достижения любой заданной степени очистки предполагается или многократное циркуляционное прохождение жидкости через контактные элементы, или использование многосекционного аппарата с последовательным прохождением жидкости через каждую секцию. Продолжительность флотационной очистки или количество секций струйного флотационного аппарата определяется исходя из требуемой степени очистки и энергетических затрат на процесс водоочистки.

Таким образом, проведённые экспериментальные исследования показали высокую эффективность очистки стоков промышленных предприятий от нерастворимых взвесей в прямоточно-вихревых аппаратах и струйных флотаторах. Комплексная очистка стоков, основанная на применении вышеуказанных способов водоочистки, позволит повысить

эффективность очистки больших объёмов стоков, снизить энергетические затраты на процесс

водоочистки, существенно сократить продолжительность водоочистки.

Литература

1. Колесник, А.А. Состояние водных ресурсов Республики Татарстан и их использование для питьевого водоснабжения / А.А. Колесник, Т.С. Куликова // Научно-практическая конференция «Чистая вода».

- Тезисы докладов. - Казань, 2000. - С. 22-30.

2. Овчинников, А.А. Разделение гетерогенных систем жидкость-жидкость и жидкость-твёрдая фаза в прямоточных вихревых сепараторах / А. А. Овчинников, А. А. Шадрин, Д.В. Алексеев, Н.А. Николаев // Теоретические основы химической технологии. - 2006. - Т. 40. - №4. - С. 442-446.

3. Зиганшин, М.Г. Эффективность очистки воды от жидких взвешенных частиц вихревыми сепараторами / М.Г. Зиганшин, Д. Д. Латыпов, Д.В. Алексеев// Экология и промышленность России. -2008. - №12. - С.12-15.

4. Алексеев, Д.В. Анализ технико-экономических показателей работы флотационных аппаратов / Д.В. Алексеев, Н.А. Николаев // Химическая промышленность. - 2001. - №1. - С. 40-43.

5. Алексеев, Д.В. Технико-экономический анализ работы флотаторов применительно к очистке стоков промышленных предприятий / Д.В. Алексеев, Н.А. Николаев // Гидромеханика отопительновентиляционных и газоочистных устройств: Межвуз. сб. - Казань: КГАСА, 1999. - С. 82-88.

6. Козулина, О.В. Флотационный метод очистки загрязненных вод / О.В. Козулина, М.Г. Кузнецов, Е.Ю. Ермакова, В.А. Моско // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, №4. - С. 164-168.

7. Алексеев, Д.В. Комплексная очистка стоков методом флотации / Д.В. Алексеев, Н.А. Николаев, А.Г. Лаптев. - Казань: Изд-во КГТУ, 2005. - 158 с.

8. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей / Е.П. Медников. - М.: Наука, 1980. -176 с.

9. Сугак, Е.В. Очистка газовых выбросов в аппаратах с интенсивными гидродинамическими режимами / Е.В. Сугак, Н.А. Войнов, Н.А. Николаев. - Казань: РИЦ “Школа”, 1999. - 224 с.

© В. В. Харьков - студ. КГТУ, taly-life@yandex.ru; Д. В. Алексеев - канд. техн. наук, доц. каф.

экономики и организации производства КГЭУ, alex-dima@list.ru; А. А. Шагивалеев - канд. техн. наук, доц. каф. оборудования пищевых производств КГТУ, albert.dkmf@gmail.ru; Н. А. Николаев - д-р техн. наук, проф. каф. оборудования пищевых производств КГТУ.