НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК.628.321

МГТУ им. Н.Э. Баумана

kbsflot@mail.ru

mivanov2005@mail.ru

Наиболее рациональное использование воды в промышленности и на транспорте в большой степени связано с ее повторным использованием в специально созданных для таких целей оборотных системах. Достаточно широко оборотные системы водопользования использовались и ранее в СССР [1-2]. По нашему мнению, это было связано, в том числе и с более строгим  контролем за водным хозяйством промышленных предприятий со стороны природоохранных органов, когда инспектор такого органа практически всегда мог осуществлять необходимый надзор. В условиях частного производства инспектор природоохранного органа не всегда в полном объеме может осуществлять  контроль  за качеством отработанных водных потоков. Кроме того, в ряде случаев наблюдается сброс в бытовые стоки промышленных загрязнений, например солей тяжелых металлов, что возможно связано с ведением нелегального бизнеса. Можно допустить, что указанные факты исчезнут со временем и, что в дальнейшем заработает чисто экономический  механизм, когда выгодно будет максимально использовать оборотные системы водопользования, например при мойке различных транспортных средств. В современной России согласно нормативным документам при мойке транспортных средств необходимо использовать оборотные системы водопользования [3-4]. Однако, на практике только в немногих случаях при мойке транспорта используются оборотные системы. Это объясняется несколькими причинами, включая и указанные выше, а также несовершенство разработанных технологических схем очистки воды, в том числе и разработки зарубежных фирм. Последние чаще всего используют фильтрацию с реагентной обработкой, причем с высокими дозами дорогих синтетических флокулянтов. 

Анализ различных технических решений по созданию оборотных систем водопользования и свой многолетний опыт привели к целесообразности более широкого использования в таких системах флотационной техники [5].

При этом было установлено, что в большинстве случаев можно обойтись без применения дорогих флокулянтов и в целом без реагентного хозяйства. При этом достигаются нормативные показатели качества оборотной воды. В дальнейшем нами проводилось совершенствование оборотных систем, направленное на уменьшение рабочих объемов применяемого оборудования и интенсификацию технологических процессов очистки воды и в, первую очередь, флотационных. Для решения подобных задач в последние годы были разработаны различные комбинированные флотационные машины и аппараты, которые в зависимости от целевого назначения могут быть использованы, в том числе и в системах оборотного водопользования.

Методы проведения экспериментов

Возможности интенсификации процесса флотации связаны  и в том числе с получением тонкодисперсных газовых  (воздушных) пузырьков в зоне аэрации флотационного аппарата, а также коалесценцией  мелких флотокомплексов, что позволяет их извлекать в рабочей зоне флотокамеры. Последнее предотвращает их унос с очищаемой жидкостью. Одним из вариантов модернизации разработанных ранее пневматических установок и тем самым интенсификации их работы  может быть использование вибровоздействий. В МГТУ им. Баумана на кафедре «Экология и промышленная безопасность» была разработана опытная флотационная установка с использованием вибровоздействий, представленная на рис. 1.

Рис. 1. Установка флотационная с диспергированием в корпусе аппарата.
А – подача исходной воды, В – выход очищенной воды.
1 – вибростенды, 2 – флотационная камера диспергирования, 3 – аэратор, с помощью тяги соединенный с вибростендом, 4 – поршень, с помощью тяги соединенный свибростендом, 5 – флотационная камера коалесценции, 6 – блок тонкослойного осветления, 7 – корпус аппарата.

Принцип работы данного аппарата следующий. Корпус аппарата 7 разделяется перегородками на четыре камер. Исходная вода А сначала подается во флотационную камеру диспергирования 2, в которой аэратор 3 соединен с помощью тяги с вибростендом 1. Вибростенд работает постоянно и передает возвратно-поступательное движение на аэратор. За счет интенсифицирующего воздействия вибрации в данной камере возможно добиться более высокой степени очистки. После этого, очищаемая вода поступает во вторую по ходу камеру коалесценции 5, в которой имеется поршень 4, соединенный с помощью тяги с вибростендом 3. В этой камере за счет действия вибрации происходит коалесценция флотокомплексов, их укрупнение и всплытие. Далее очищаемая вода поступает в четвертую камеру - блок тонкого осветления 6, в которой оставшиеся флотокомплексы задерживаются на пластинах блока. После этого, вода поступает в последнюю накопительную камеру и отводится через патрубок В.

В ходе проведения экспериментов, исследовалось содержание нефтепродуктов в используемом стоке автомоечного комплекса. Концентрации нефтепродуктов определялись независимой аналитической лабораторией ОАО «Роса». Фотографии с испытаний приведены на рисунках 2 – 6.

Режим вибровоздействия выбирался по разработанной методике, которая описана в [6]. Так, для камеры диспергирования частота вибровоздействия составляла 90 Гц, уровень виброускорения - 2g.

Рис. 2. Общий вид установки виброфлотации.

Рис. 3. Вид сверху. Исходная сточная вода.

Рис. 4. Пенный продукт.                                                  Рис. 5. Очищенная вода

Рис. 6. Вид на камеру виброфлотации.

Математическая модель

Для расчета процессов флотационной очистки, происходящих в аппарате, использовалась математическая модель, разработанная на основе многостадийной модели проф. Ксенофонтова [5, 7], и подробно описанная в [6].

Суть предлагаемой математической модели заключается в следующем. Оказываемое вибрационное воздействие принципиально различается по роду оказываемого эффекта: в одном случае происходит диспергирование воздушных пузырьков воздуха, а в другом – коалесценция флотокомплексов, в зависимости от режима вибровоздействий. Соответственно и математическая модель подразделялась на модель для диспергирования и модель для коалесценции.

Математическая модель флотации с учетом вибродиспергирования пузырьков воздуха.

Схема модели представлена на рис. 7.

Рис. 7. Схема модели флотации с учетом вибродиспергирования пузырьков воздуха.
А – исходное состояние: частица загрязнения и пузырек воздуха отделены друг от друга; В и С – стадия диспергирования пузырей воздуха и образования флотокомплексов частичка-пузырек; D– стадия всплытия флотокомплексов и образования пенного слоя. К_i - константы переходов из одного состояния в другое

Суть процессов сводится к тому, что пузырек воздуха (стадия А) под воздействием вибрации диспергируется на два меньших по размеру, образует флотокомплексы с частицами загрязнений (стадии В и С), которые затем всплывают в пенный слой (стадия D). Кроме того, может иметь место непосредственное попадание частиц загрязнения в пенный слой, без образования флотокомплексов или, наоборот их выпадение. Данная модель описывается системой дифференциальных уравнений (1).

Для каждого из переходов имеют место свои соответсnвующие константы, входящие в систему дифференциальных уравнений (1). Каждая константа имеет тот или иной физический смысл, определяющий процессы происходящие при переходе из одной стадии в другую. Решение данной системы уравнений при известных константах переходов Кi позволит найти изменение концентраций в стадиях А, B, C и D во времени t.

Математическая модель флотации с учетом виброкоалесценции пузырьков воздуха

Схема модели представлена на рис. 8.

Рис. 8. Схема модели флотации с учетом виброкоалесценции пузырьков воздуха.
В  – стадия наличия невсплывших флотокомплесов частица - пузырек; D– стадия всплытия флотокомплексов и образования пенного слоя. Е – стадия коалесценции флотокомплексов К_i - константы переходов из одного состояния в другое

В данном случае флотокомплексы частица - пузырек (стадия В) могут как непосредственно попадать в пенный слой (стадия D), так и через промежуточное состояние – коалесценцию флотокомплексов (стадия Е). Данная модель описывается системой дифференциальных уравнений (2). Для каждого из переходов имеют место свои соответсвующие константы, входящие в систему дифференциальных уравнений (2). Каждая константа имеет тот или иной физический смысл, определяющий процессы происходящие при переходе из одной стадии в другую.

         Решение данной системы уравнений при известных константах переходов К_i позволит найти изменение концентраций С в стадиях B, D и Е во времени t.

         Расчет констант переходов

            Для расчета систем уравнений (1) и (2) задается исходная концентрация загрязнителя.

Принимаются  следующие начальные условия для решения: С_А (t) + С_В (t) + С_С (t) + С_D(t)= C₀; С_А (0) = С₀; С_В (0) = 0; С_С (0) = 0; С_D(0) =0.

Значения констант рассчитываются по следующим формулам:

·, 
где q – скорость барботирования; Е – эффективность захвата частиц всплывающим пузырьком газа при флотации;  - средне-эффективный диаметр пузырьков во флотационной ячейке. k₀ – фактор полидисперсности пузырьков.

В ходе проведения эксперимента, компрессор работал с производительностью 150 литров в минуту, площадь сечения флотационной колонны составляла 0,06 м² таким образом, скорость барботажа составила  м³/м²с. 

При нормальном распределении пузырьков воздуха коэффициент К₀, характеризующий полидисперсность пузырьков воздуха изменяется в пределах 1 ≤ K₀ ≤ 1,58. Большой расход воздуха и большая площадь сечения колонны, а также некоторые конструктивные особенности используемого аппарата могут привести к наличию некоторого нормального распределения пузырьков воздуха по размеру. На основании этого, примем К₀=1.58.

Эффективность захвата частицы пузырьком Е изменяется в пределах0,005 ≤ E ≤ 0,01, возьмем минимальное значение, равное 0,005, так как в силу конструктивных особенностей используемой флотационной машины может иметь некоторое снижение эффективности захвата.

Средне-эффективный размер пузырьков воздуха составляет 0,1 мм. Следовательно константы К₁ и К₃ могут быть рассчитаны следующим образом:

·  , где υ_p – скорость подъема флотокомплекса; h – расстояние от зоны аэрации до пенного слоя (глубина флотокамеры).

Высота флотационной колонны составляла 1 м. Скорость подъема флотокомплексов составлял 0.02 м/с (ввиду наличия ПАВ во очищаемом стоке автомоечного комплекса). Тогда, константы К₅ и К₇ могут быть рассчитаны следующим образом:

·                

·  , где υ_о.c- скорость осаждения частиц твердой фазы, h – высота флотокамеры.

Скорость осаждения загрязнений из пенного слоя в исходную воду составляет 0,001 м/с. Таким образом, константа К9 может быть рассчитана следующим образом:

·  , где G-эффективный градиент сдвига гидродинамического поля:, g – ускорение сил тяжести; ν - кинематическая вязкость жидкости; q – скорость барботажа; α  - эффективность коалесценции; φ- объемная доля газовой фазы.

g – ускорение сил тяжести, g=982 см/с²; ν - кинематическая вязкость жидкости, ν=10^-6 м²/с; q – скорость барботажа, q=0.006. Тогда

α - эффективность коалесценции, α=10^-2; φ- объемная доля газовой фазы, φ=0,02 [8]. Таким образом,

·  , где υ_pod^of - скорость подъема объединенного флотокомплекса, h – высота флотокамеры.

Скорость подъема объединенного флотокомплекса составляет 0,005 м/с, тогда:    

Значения остальных констант равны нулю, так как в данных условиях, при флотации стока автомоечного комплекса, не может происходит разрушение уже образовавшегося флотокомплекса, самостоятельное всплытие загрязнения в пенный слой и выпадение флотокомплекса из пенного слоя.

Результаты эксперимента и верификация математической модели

После нахождения всех кинетических констант и решения систем уравнений (1) и (2) с подстановкой значений констант, было получено решение, графическое представление которого показано на рис. 9 и 10.

Рис. 9. Сравнение теоретических и экспериментальных данных по виброфлотации стока автомоечного комплекса в разработанной флотомашине в блоке диспергирования
Z^<1>  - время, с; Z^<2> - концентрация нефтепродуктов в очищаемом стоке; Z^<3> и Z^<4> - содержание флотокомплексов; Z^<5> - концентрация нефтепродуктов в пенном слое.
Линиями показаны теоретические данные, точками – результаты экспериментов.

Рис. 10. Сравнение теоретических и экспериментальных данных по виброфлотации стока автомоечного комплекса в разработанной флотомашине в блоке коалесценции
Z^<1>  - время, с; Z^<2> - концентрация нефтепродуктов в очищаемом стоке; Z^<3> и Z^<4> - содержание флотокомплексов; Z^<5> - концентрация нефтепродуктов в пенном слое.
Линиями показаны теоретические данные, точками – результаты экспериментов.

Теоретические данные были также подтверждены экспериментально. Для этого использовался сток автомоечного комплекса. Как видно из рис. 10, имеет место хорошее совпадение теоретических данных с экспериментальными. Время флотации с диспергированием при этом составляет 7 минут, по истечении которых содержание нефтепродуктов снизилось с 2,5 до 0,8. Содержание не всплывших флотокомплексов при этом составляет еще 0,079 мг/л. Для ускорения их всплытия они коалесцируются, для чего, вода направляется в камеру коалесценции.

         Таким же образом, для камеры коалесценции также производился расчет. При этом, использовалась математическая модель для флотации с коалесценцией. Для нее были рассчитаны все необходимые константы переходов К с учетом результатов полученных в ходе решения обратной задачи, и решена система уравнений. Решение представлено на рис. 10.

         Теоретические данные были также подтверждены экспериментально. Как видно из рис. 10, имеет место хорошее совпадение теоретических данных с экспериментальными. Время флотации с коалесценцией при этом составляет 6 минут по истечении которых содержание флотокомплексов снизилось до 5го порядка малости.

На основании полученных решений определяется время флотации (как сумма времени диспергирования и времени коалесценции) путем подстановки в решение исходных данных. Таким образом, общее время очистки составило 13 минут.

Выводы

Таким образом, в настоящей работе показана возможность применения вибрации для интенсификации флотационной очистки вод для оборотных систем водопользования. В ходе проведения экспериментов было установлено, что эффективность флотационной очистки с применением вибровоздействий может достигать 95 процентов на реальных стоках автомоечного комплекса. При этом, время флотации снижается практически вдвое по сравнению с пневматической флотацией.

Кроме того, показано хорошее согласование данных теоретических расчетов и экспериментальных данных, что свидетельствует о том, что разработанная математическая модель может применяться для расчет аппаратов виброфлотационной очистки.

Следует отметить, что предлагаемая конструкция аппаратов универсальна. Во-первых, она позволяет, в зависимости от требуемой степени очистки использовать камеры диспергирования, коалесценции вместе и по отдельности. Помимо этого, имеется возможность модернизировать существующие пневматические флотационные аппараты, увеличивая таким образом эффективность очистки, либо увеличивая производительность.

         Литература

1. Алферова  Л.А., Нечаев  А.П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов/Под ред. С.В. Яковлева. М.: Стройиздат. 1984. 272 с.

2. Замкнутые системы водообеспечения химических производств. М.: Химия, 1990, 208 с.

3. Общесоюзные нормы технологического проектирования автотранспортных предприятий: ОНТП-01-86/Минавтотранс РСФСР. М., 1986. 128 с.

4. Общесоюзные нормы технологического проектирования авторемонтных предприятий: ОНТП-02-86/Минавтотранс РСФСР. М., 1986.128 с.

5. Ксенофонтов Б.С. Очистка воды и почвы флотацией. М.: Новые технологии. 2004. 224 с.

6. Ксенофонтов, Б. С. Флотационная очистка сточных вод с использованием вибровоздействий / Б. С. Ксенофонтов, М. В. Иванов, P. Э. Геворкян // Безопасность жизнедеятельности. - 2011. - N 9. - С. 32-37 .

7. Ксенофонтов Б.С. Флотационная обработка  воды, отходов и почвы. М.: Новые технологии.- 2010. – 272 с.

8. Рулев Н. Н., Колесников В. А., Карась С. В. Влияние коалесценции на распределение пузырьков по размерам в барботере флотомашины. //Химия и технология воды. 1991.-13, №2. 127-132 с.